美國航天局和歐洲航天局的月球殖民地計劃要求先進的生命支持系統(tǒng)和宇宙射線的屏蔽。

　　Skidmore, Owings&Merrill(SOM)是一家以設(shè)計和工程聞名的建筑公司。迪拜的 Burj Khalifa 是世界上最高的建筑，這類標志性建筑是該公司的特色之一。但在其紐約市辦公室，建筑師們正在為 SOM 的第一次外星任務繪制更引人注目的圖紙。該公司正與歐洲航天局(ESA)和麻省理工學院合作設(shè)計月球基地。

　　首席設(shè)計師 Daniel Inocente 展示了散布在月球景觀中的白色膨脹吊艙的示意圖和效果圖，這些吊艙由管狀走道連接，由機器人、太陽能電池板和宇航員包圍，所有這些都由天空中一個可辨認的藍色球體監(jiān)控。

　　這些設(shè)想可能永遠不會實現(xiàn)，但它們正在幫助歐空局思考未來的可能。月球提供了許多機會。行星科學家想研究它的組成，以了解早期太陽系和地球的起源。天文學家想在遙遠的地方建造射電望遠鏡。醫(yī)學研究人員想了解人體對長時間處于低重力狀態(tài)的反應。探險家們想測試設(shè)備或生產(chǎn)用于小行星、火星和其他星球的航行的推進劑。

　　自從 20 世紀 70 年代阿波羅計劃結(jié)束以來，首次將人們送上月球的討論逐漸升溫。2016 年，歐空局局長宣布了“月球村”，這是一個刻意模糊的愿景，鼓勵私人和公共參與者在機器人和人類探索月球方面開展合作。去年，八名中國志愿者在一個名為“月宮 1 號”的模擬棲息地完成了為期一年的停留，以測試生命支持系統(tǒng)。

　　雖然私營企業(yè)不打算很快將人們送上月球表面，但來自 SpaceX 和 Blue Origin 的火箭可能會大幅降低政府的成本。就在幾個月前，美國副總統(tǒng) Mike Pence 承諾將在五年內(nèi)讓宇航員重返月球。

　　但是在月球上定居下來的人需要專家們先解決掉一些問題。包括：應對惡劣的環(huán)境，用當?shù)夭牧辖ㄔ旖ㄖY(jié)構(gòu)，掌握生命保障;以及處理一個潛在的致命的復雜問題，目前我們還沒有明確的解決方案 --灰塵。

　　確定月球定居點的三個最重要的因素是，如同任何房地產(chǎn)經(jīng)紀人都會告訴你的一樣，位置，位置，還是位置。SOM 認為最誘人的選擇是在月球南極附近的沙克爾頓隕石(Shackleton Crater)坑邊緣擁有一塊漂亮的土地。

　　有強有力的證據(jù)表明，火山口的永久陰影區(qū)域含有古代彗星的水冰，這些水冰有利于飲用、烹飪食物、洗澡、制作混凝土以及分解成氧和氫作為火箭推進劑。

　　無論他們在哪里建造，太空建筑師和工程師都面臨著傳統(tǒng)實踐者從不擔心的限制。當然，月球上幾乎沒有空氣，所以任何棲息地都必須被密封。當大多數(shù)太空巖石在地球大氣層中燃燒時，月球表面卻經(jīng)常被微流星體撞擊。所以建筑物必須能夠承受打擊。

　　那里的重力大約是地球的六分之一。這可以考慮大跨度結(jié)構(gòu)，但也需要更多的錨定點。而弱重力使得挖掘變得困難：向下推會把你推上去。在溫度極端的地方，棲息地需要有強大的加熱和冷卻系統(tǒng)，它們所用的材料必須能夠承受劇烈的膨脹和收縮。

　　然后是輻射。太陽不斷地釋放出高速質(zhì)子和電子流——太陽風。雖然地球的磁場保護我們不受大多數(shù)風的影響，但月球沒有磁場，所以它都會撞擊地表。更危險的是太陽的日冕物質(zhì)拋射。這些事件將高能質(zhì)子和電子的爆發(fā)拋向太空。一個強大的輻射能產(chǎn)生幾個西弗特——一個西弗特是測量月球表面輻射暴露的標準，如果一個人不返回地球進行骨髓移植，就足以殺死他。如果這種危險不足以忍受，那么月球上的宇航員也將受到銀河系宇宙射線的持續(xù)照射，這可能會增加他們患癌癥的終生風險。

　　在 SOM 的紐約辦公室，Inocente 提出了在月球生境周圍的三維印刷墻壁保護生命免受輻射的建議。長期居住者需要 3 米防護罩才能保護他們免受銀河宇宙雷擊的影響。從地球上運送成噸的混凝土是沒有意義的，所以宇航員將就地資源利用，換句話說，他們將使用那里的資源。

　　在 SOM 的概念中，這些墻將由月球土壤制成，由于缺少有機材料，所以更恰當?shù)胤Q其為表土。這樣做的一種方法是 3D 打印墻壁，要么全部打印在它們所“站立”的位置，要么作為磚堆疊時“鎖”在一起。一些太空建筑師建議通過一個機器人控制的噴嘴，逐層沉積風化層水泥。

　　但是，如果水泥混合物中的液體在墻體或磚中的混凝土凝固之前蒸發(fā)或凍結(jié)呢?歐洲研究人員與建筑公司 Foster+Partners 合作，研究了可以防止這種情況發(fā)生的粘合液和注入方法，并用浮土模擬物打印了一面墻。然而，承包商仍然需要將液體粘合劑或特殊水泥粉運送到月球上。

　　SOM 更傾向于通過熱膠噴嘴擠壓融化的表土。另一種方法是將加熱的表土燒結(jié)到接近其熔點的位置，直到其熔化。在 ESA 的一個名為“RegoLight”的項目中，研究人員將陽光聚焦到一束強烈的光束中，并在風化層模擬物表面逐層烘焙磚塊。不過，這一過程很慢，而且測試磚塊也很薄弱，因此許多研究人員認為，成功的策略將是微波燒結(jié)，利用微波爐或微波束來吸附灰塵。SOM 正密切關(guān)注燒結(jié)研究。

　　對于相對較低的棲息地，表土可以簡單地堆放在金屬結(jié)構(gòu)的頂部(留有可供維護的空間)。另一個更具推測性的選擇是，將棲息地模塊安置在月球熔巖管內(nèi)，這是一個巨大的空隧道，熔化的巖石曾經(jīng)流過這個隧道。

　　表土不僅用于保護建筑物，還用于鋪設(shè)發(fā)射臺和道路。美國航空航天研究所(AIAA)空間建筑技術(shù)委員會主席 Brent Sherwood 建議在微波爐中烘烤風化層鋪路磚。航天器降落在平臺上，或是在由這些瓷磚制成的道路上行駛的車輛上，揚起的灰塵會減少。這樣道路也可幫助使機器人更容易在地形上導航。“你可以基本上把月球表面想成一個可預測的工廠地面，就像亞馬遜的倉庫，”他說。

　　ESA 的太空建筑師 Hanna Läkk 以建筑和紡織技術(shù)為背景，提供了一種更為廣泛的使用風化層的方法。與合作者一起，她成功地將模擬物熔化，并將其擠出到纖維中，這些纖維可以通過金屬框架自動纏繞到纖維外殼結(jié)構(gòu)中。利用這種制作方法，一個棲息地模塊可以被放置在一個有編織網(wǎng)的隕石坑中，支撐更多堆在上面的風化層。他們還用機器人制作了這種蓋子的微型版本。最后，在未來的任何月球殖民地都可能采用許多使用風化層的技術(shù)。

　　在由月球風化層構(gòu)成的屏障后面，月球生境模塊到底是什么樣子的?SOM 正在進行的設(shè)計是工程師們幾十年來提出的建議的產(chǎn)物，通常用于穹頂或圓筒，有時用于掩埋或半掩埋。

　　太空建筑師和工程師普遍認為，第一個月球棲息地將類似于國際空間站(ISS)的單位。羅格斯大學的機械和航天工程師、《在月球上建造棲息地：月球定居點的工程方法》(Springer，2018 年)一書的作者 Haym Benaroya 說：“The first-generation technology is a little bit less sexy。”原來的棲息地將某種壓力容器覆蓋在表土中進行輻射防護，從某種意義上說，是一個埋在地下的錫罐。

　　據(jù)為波音公司工作的 ISS 模塊的 Sherwood 說，工程師們已經(jīng)知道如何制造、測試、發(fā)射和修理這樣一個單元。他說：“我們從空間站學到的知識是巨大的。”

　　最后，我們可能會轉(zhuǎn)向充氣模塊，一旦我們更好地了解如何將它們與剛性結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，以及如何包裝它們以便正確展開，充氣模塊就可以擴大到更大的體積。總部位于拉斯維加斯的畢格羅航空航天公司(Bigelow Aerospace)授權(quán)美國國家航空航天局(NASA)專利，以建造一個充氣裝置，該裝置于 2016 年附于國際空間站進行測試。雖然畢格羅目前僅用于存儲，但它仍在繼續(xù)收集有關(guān)其對溫度變化、輻射和空間碎片撞擊的反應的數(shù)據(jù)。

　　在其與歐空局的合作中，SOM 介于罐子和氣球之間的東西。它的設(shè)計者設(shè)計的模塊是一個模糊不清的圓柱形，高 9.5 米。它有三層樓，有一個垂直的核心，允許居民在它們之間攀爬。三個充氣部分運行模塊的高度，并增加所有樓層的生活空間。底層有三個門與相鄰單元相連。

　　SOM 還沒有決定環(huán)境控制系統(tǒng)、生命支持、電力和船員住宿的技術(shù)。但是早期讓用戶參與的常見架構(gòu)實踐應該使其成為一個舒適的居住場所。美國國家航空航天局(NASA)負責監(jiān)督太空居住概念合同的太空建筑師 Larry Toups 說，工程師有時也需要注意用戶體驗：例如，廢物處理不應該放在廚房旁邊。

　　在設(shè)計 burj khalifa 時，SOM 從來不需要考慮一件事，那就是回收尿液。而月球上的第一個生命支持系統(tǒng)可能是“開環(huán)”，就像阿波羅任務中的那樣：提供氧氣、食物和水，并就地處理廢物。根據(jù)一項計算，每人每年需要 5 到 15 公噸的消耗品，主要是空氣、食物和水。

　　不過，更可能的第一步是像國際空間站那樣的物理化學循環(huán)系統(tǒng)。空間站收集宇航員的汗液和呼吸中的尿液、廢水和冷凝液，然后對其進行過濾，使其可以飲用。一組分子篩(使用二氧化硅和氧化鋁的晶體)從空氣中過濾二氧化碳，而電解則分解水來產(chǎn)生氧氣。

　　美國國家航空航天局的下一代生命支持(Next Generation Life Support)項目正在研究一些新的方法，但主要技術(shù)專家 Molly Anderson：“我們通常不想發(fā)明新的化學物質(zhì)。”大多數(shù)國家航空航天局希望提高現(xiàn)有系統(tǒng)的效率。該機構(gòu)還希望使硬件更輕、更可靠、更容易修復。至于新的玩具，研究小組正在測試一個壓縮機的原型，以給太空服的氧氣罐充電，利用熱分解系統(tǒng)將固體廢物分解成有用的元素，以及便攜式 DNA 測序儀，以監(jiān)測表面和水中的微生物。

　　Anderson 表示，月球至少在一個方面比國際空間站更容易維持生命：重力讓你可以洗澡和沖廁所。

　　月球上生命維持的下一個階段將是生物再生系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，生境中的生物提供食物，過濾空氣和水，分解廢物。ESA 的微型生態(tài)生命支持系統(tǒng)替代計劃(Melissa)進行了一項實驗，其中三只老鼠和一些藻類一次生活在一起六個月。老鼠將氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳，藻類則相反。

　　我們甚至可以用生物學來建造。ESA 的Läkk 已經(jīng)用菌絲和植物物質(zhì)培育出磚塊，證明這種真菌既能承受模擬失重狀態(tài)，又能承受在月球上遇到的輻射。這種本地種植的材料可能會取代表土作為建筑材料。

　　很可能，我們需要一個混合系統(tǒng)，其中有些食物是從地球運來的。即使科學家對農(nóng)作物進行基因改造以產(chǎn)生所有必需的營養(yǎng)素，宇航員可能仍然需要各種各樣的食物來維持腸道健康。人們也不想每天都吃同樣的東西，把植物或藻類變成食物需要大量的加工。Anderson“我們不想特意派遣宇航員到那里去而只是為了成為農(nóng)民。”

　　美國宇航局的 Sherwood 同意多樣化的需求，特別是如果月球打算吸引太空游客的話。他說：“想擁有一家酒店嗎?那你至少需要學會馬提尼調(diào)酒和煎蛋卷。”但我們對如何在低重力下烹飪知之甚少。

　　為了讓人們能夠在月球上生活，SOM 還必須為機器人打造勞動力計劃。Sherwood 說：“勘測、表土移動、建筑、資源開采、簡單維護，這些都不是人們最擅長的事情。”SOM 預計，機器人將建立一個居住艙，也許是一個食品生產(chǎn)艙，并在任何人進入之前建造表土墻。

　　但有一個復雜的問題對人類和機器都是致命的：灰塵。數(shù)十億年來，微流星體的撞擊使月球表面粉碎，在沒有空氣或水的地方產(chǎn)生尖銳的玻璃狀塵埃碎片，使月球邊緣光滑。月球淺層表土質(zhì)量的 10% 到 20% 由直徑小于 20 微米的顆粒組成，像細滑石粉。

　　這些粒子是由太陽風產(chǎn)生的靜電電荷，所以它們懸浮在空中，太小以至于看不見，但可以粘在任何東西上。在阿波羅任務中，經(jīng)過幾個小時的太空行走，灰塵結(jié)塊的靴子踏板、磨損的宇航服、擦傷的鏡片、毀壞的機器、堵塞的空氣過濾器、刺激宇航員的眼睛和鼻子。如果吸入，甚至可能導致癌癥。

　　SOM 已經(jīng)提議在棲息地入口進行除塵，但即使它們使室內(nèi)變得整潔和寬敞，也無法阻止外部設(shè)備的退化。Sherwood 說：“我們知道表土是什么，我們也知道為什么是這樣，但沒有人知道如何圍繞這些環(huán)境條件設(shè)計一個可持續(xù)的系統(tǒng)。”

　　登上月球是很困難的，呆在月球上會更困難。但是如果工程師和建筑師能夠克服這些困難，一個充滿可能性的世界就在等待著我們。
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