未来几十年的登月任务将面临哪些技术和工程挑战？
文|核物理学博士、瞰创新专栏撰稿人 Pierre Henriquet
编辑|Meister Xia
导读
本世纪的阿尔忒弥斯载人登月计划是一个长期、庞大的项目，目的是逐步在月球表面建立一个基地，使得宇航员能短期和永久的居住在月球上。月球环境严酷恶劣，人类无法在月球上生存。如何保障宇航员在月球恶劣环境中的生存？登月任务将面临怎样的技术和工程挑战？
一览：
2022年11月16日，美国巨型SLS火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心的39号发射架点火升空，将猎户座飞船发射到绕月球飞行的轨道上。该新型无人飞船上装有由美国航天局研制的宜居舱和欧洲航天局研制的服务舱。
此次发射任务名为阿尔忒弥斯一号，取得了圆满成功。不过，这只是为2024年（届时发射猎户座载人飞船）和2025年（届时一男一女将再次踏上月球）的人类重返月球计划做准备的第一步。
与20世纪70年代的阿波罗计划不同，本世纪的阿尔忒弥斯载人登月计划是一个长期、庞大的项目，先会将一个类似于国际空间站的月球空间站送入月球轨道（目前已有几个模块完成建设），随后逐步在月球表面建立一个基地，使得宇航员既能短期登陆月球，也能永久居住。
实施这一雄心勃勃的计划，意味着要在人类所知的最极端的环境中建设居住区，保障宇航员在月球恶劣环境中的生存。今天，让我们谈谈未来几十年登月任务将面临的技术和工程挑战。
建造、维持一个稳定安全的人类居住区，首先要分析月球的环境，了解其对建筑物和人类活动的限制。由于月球比地球小、质量较低，引力比地球弱六倍，因此建筑设计、建筑结构和材料阻力的相关计算都必须根据月球情况仔细调整。
此外，月球自转非常缓慢，白昼大约持续两个地球周，夜晚同样漫长。月球由于没有大气层在明暗面之间均衡调节温度，地表温度白天可高至120°C，晚上低至-250°C！缺乏大气层还意味着陨石会以全速猛烈地撞击月球，且月球的表面时刻暴露在宇宙射线之下。宇宙射线是高能粒子流，人体过量照射会导致烧伤、不孕不育和癌症。
目前有几种解决上述问题的方案。一是在月球远古形成的巨大熔岩隧道中建设居住区，为宇航员提供安全的环境（见下图）。然而，阿尔忒弥斯计划目前计划在月球的南极进行建设，但该地区尚未发现巨大的地下隧道。
有了登月项目和月球基地，人类便能在月球表面活动，而基地建筑物的设计必须从月球环境的实际情况出发。2016年，欧洲航天局提出了“月球村”建设项目。其设计构想是在月球表面安放充气模块，然后由机器人在模块表面上覆盖一层以月球风化层为原料的厚混凝土。
充气结构模块在航天领域算不上新兴事物。2016年，国际空间站上安装测试了一个名为BEAM（毕格罗可扩展活动模块）的充气模块。法国的斯巴达太空公司正在开发一种可充气的活动住房，充当远离主基地的科考任务的临时大本营。
欧洲航天局设想的月球村要大量地使用具备3D打印功能的机器人。这些机器人可以采集月球风化层，将其与黏合剂混合，制成糊状物，再喷洒到充气模块上构建保护层，让宇航员在建筑物内安全生活。
机器人有望在月球建设中发挥重要作用。月球上，任何一个微小的动作都有可能酿成致命事故，应尽量派遣机器人进行月表活动。不过，虽然机器人敏捷高效，由于需要的数量众多，仍有许多问题需要通过技术创新和突破解决。比如机械齿轮杠杆会因为粘附表面静电和极为粗糙的月球尘埃颗粒而失效，而且传统的润滑剂在太空真空环境中极容易干燥挥发。
“机器人有望在月球建设中发挥重要作用。”
月球任务的另一个关键问题是能源供应。阿尔忒弥斯任务有一个优势：其所处的地带总有阳光照耀，太阳下落的最低点也在地平线之上，因此可以在陨石坑的向阳面部署大量的太阳能电池板。但随着基地的扩充，肯定需要建设紧凑小型核电站作为补充。2022年6月，美国国家航空航天局和能源部选定了三个核裂变动力系统方案：其中一种有望在2020年代末完成研发，在月球上示范。
资源开采——这是人类重返月球的目的之一。开采的主要的目标资源是水，既月球两极的陨石坑底部大量的冰，可用于月球上的食品加工和农业，还可用于制备氧和液氢，作为从月球起飞的火箭的燃料。
月球土壤富含氧、硅等有价值的矿产资源，还有铝和铁等各种金属元素。不过从长远来看，在月球上开采氦-3更有意义，可用于热核聚变反应堆。
如果人类要在地球的天然卫星上长时间停留，就必须开发更多技术和产业来适应月球的环境。医学、农业和生物技术都是至关重要的。不过，人类首先要实现在月球上长期存活，才有必要探索上述这些后续问题。
待人类在月球上安居乐业的那一天到来，还将有一个行业值得我们拭目以待，那就是占世界GDP近7%的重量级行业：旅游业。未来，随着绕月飞行、登陆月球表面、“短期游”、“深度游”等旅游项目的开发，月球很有可能成为22世纪不可错过的宇宙名胜。
