尼纳 · 诺特曼采访了助推人类重返月球的科学家——这一次，他们决定去了就不回来了。
“这是个人的一小步，人类的一大步。”1969年7月20日，尼尔 · 阿姆斯特朗（Neil Armstrong）成为第一个踏上月球的人类时说出了这句名言。自那之后，美国的阿波罗计划还送了5次宇航员去月球。1972年12月，尤金 · 塞尔南（Gene Cernan）和哈里森 · 施密特（Harrison Schmitt）成了目前而言最后一批登上月球的人类。从那时算起，人类已经50多年没去过月球了。
这几十年里，人类对重返月球的载人航天任务兴趣寥寥，更别提什么资金支持了。不过，我们现在进入了一个月球探索的新时代。美国宇航局的阿尔忒弥斯项目计划在2025年送宇航员上月球。其他国家的许多航天机构和私人航天公司也对探索月球野心勃勃，他们为了收集月球信息而设计、建造的探测器要么现在就在奔赴月球的路上，要么计划在未来几年内发射升空。
美国宇航局的目标是在月球上建立一个类似地球南极科考站的半永久性基地。欧洲空间局、中国和俄罗斯也宣布有兴趣建立月球研究前哨站。“月球仍然有很多信息没有告诉我们。通过这些信息，我们可以更深入地了解太阳系的早期演化和太阳系在更广阔宇宙中的位置。”伦敦大学伯克贝克分校行星科学和天体生物学教授伊恩 · 克劳福德（Ian Crowford）解释说。他认为，要想获取完整的月球地质记录，人类有必要在月球上长期甚至永久生活。
此外，月球现在越来越多地被视作前沿空间技术试验场。如果一切顺利，那些在月球上试验成功的技术最终能带领人类奔赴火星乃至更遥远的宇宙角落。对此，克劳福德说：“月球是我们学习如何在地球之外建造科考站的起点。”
仅限手提行李
保证宇航员（以及他们的装备）在月球上安全度过更长时间，将会是一项天文学壮举。目前，人类在月球上停留的最长时间纪录是3个地球日。月球温度变化巨大、辐射水平高、大气极度稀薄，还有从不止歇的微陨石撞击和数不清具有强磨蚀作用的尘埃，对人类来说环境极其恶劣。
最关键的是，将物资运送到月球的高昂成本使得克服上述月球环境问题成了更加复杂的任务。英国开放大学（位于米尔顿凯恩斯）主攻行星科学、行星探索的教授马赫什 · 阿南德（Mahesh Anand）说：“从地球发射到月球的每千克物质运输成本大约是100万美元。”因此，要想建造月球基地，就必须就地利用月球自然资源以尽可能减少从地球运输过去的货物总量。
探测器发现，这片模模糊糊的碎片羽流含有水
乍一看，建造基本自给自足的月球基地的想法似乎是天方夜谭，毕竟，月球表面看上去就是一片无比贫瘠的荒芜之地。然而，外表会骗人。第一批支持建造永久月球基地的证据出现于2008年和2009年，两项独立的任务在月球上分别发现了有水存在的强力证据。先是印度的月船1号任务发现了遍布月球表面的一层非常薄的水的痕迹。接着，美国宇航局的月球陨石坑观测与传感卫星（LCROSS）撞击了月球南极附近一个永久性阴影区域内的一处陨石坑，之后便在撞击产生的碎片羽流中发现了水的痕迹。
LCROSS撞击的那个陨石坑温度大约是-200℃，因此，我们希望那里含有水冰。如果事实确实如此，那这种资源就是高度可利用的。克劳福德说：“我们已经找到了那里有水的强力间接证据，但能够证明这些永远晒不到太阳的陨石坑中真的存在大量水的绝对证据仍有待发掘。”
不过，虽然月球两极的水冰的确是最容易提供大量水的供应源，但遍布整个月球表面的那薄薄的一层水同样有希望为我们所用。2020年，中国国家航天局发射的嫦娥五号探测器收集了月球风化层样本并带回地球。在对样本的后续分析中，研究人员发现了月球表层水的最新证据。
月球风化层是月球表面具有磨蚀作用的土壤和松散岩石组成的混合物。它们是数十亿年来陨石不断撞击月球壳层的产物。阿南德是分析嫦娥五号月球风化层样本的中英联合研究团队的成员。2023年3月，这些科学家报告称，他们发现散落于整个风化层的微小玻璃珠结构内蕴藏着水。据此，他们提出：太阳风中的高能质子撞击玻璃珠时，同后者内部的氧发生反应，形成了水。
加热风化层——使用传统加热方式或微波加热即可——就可以释放这些玻璃珠“囚禁”的水资源，让它们以水蒸气的形式释放出来。接着，我们便可以收集这些水蒸气，进而冷凝成液态水。
轻松呼吸
水不仅可以供未来月球移民饮用、种植食物，还可以用于建设基地和辐射保护。我们早就知道水可以屏蔽辐射，且地球上的部分放射性物质就储存在水下。不过，在月球上，水的最大功能很可能是供人类呼吸用的氧气来源以及火箭燃料中的氧化剂。
阿南德说：“你可以把水电解成氢气和氧气。”电解是一种行之有效的将水分解成其组成元素的成熟方法。无论是在地球上，还是在国际空间站内，电解水的方法都已经使用了几十年——在国际空间站内，宇航员呼吸的氧气主要就是电解水产生的。
多年以来，国际空间站内的宇航员一直在呼吸电解水产生的氧气
在月球上，氧的另一个来源是风化层内的硅酸盐、氧化物和其他含氧矿物。美国宇航局约翰逊航天中心（位于美国休斯敦）就地取用资源系统能力团队负责人杰瑞 · 桑德斯（Jerry Sanders）解释说：“从重量角度上说，月球风化层的42%~45%都是各种形式的氧化物。”
为实现这一目标而采用的主要技术是20世纪90年代末英国剑桥大学发明的弗雷-法辛-陈（FFC）电解工艺。总部位于英国罗瑟勒姆的分拆公司元分解（Metalysis）将这个电化学过程商业化，并设计制造了各种大小的反应器，它们能够以金属氧化物为原料产生相应的金属粉末。其中最大的反应器目前每年可以产生几吨金属粉末。
FFC过程的副产物是二氧化碳和一氧化碳。元分解公司首席科学家兼总经理伊安 · 梅勒（Ian Mellor）解释说：“阴极是金属氧化物，阳极是碳或者说石墨，电解质则是氧化钙。当我们在阴阳两个电极之间施加电压时，氧气就会从阴极处释放出来，通过电解质迁移，与阳极处的碳结合后，以二氧化碳或一氧化碳的形式排出。”
为了能在月球上应用这个制氧方法，元分解公司正在开发一种惰性阳极，转而在阳极处释放氧气。梅勒表示：“这项技术能够从大约50种元素的氧化物中分离出氧。”泰利斯? · 阿莱尼亚航空航天公司在哈韦尔的基地目前正在开发一种能够将小型制氧试验装置送往月球的登陆器。欧洲空间局资助、与元分解公司共同研发的这款登陆器，将在全程没有人类干预的情况下，完成从收集月表风化层到储存氧气直至使用的整个过程。
不浪费就不会缺
人们对在月球上利用元分解公司产氧电解技术产生的金属粉末副产物的兴趣与日俱增。这些金属粉末有成为3D打印建筑材料的潜力——实际上，3D打印（增材制造）就是元分解公司在地球上生产的金属粉末的主要用途之一。
与地球一样，月球不同区域的矿物组成不同。因此，要想利用月球风化层产生的金属能源，面临的一大挑战就是控制风化层成分的变化。月球风化层主要有两种形式，从地球看过去，一种风化层呈灰色，另一种呈黑色，两者迥然不同。大部分灰色地带是富含铝、钙和硅的斜长岩。黑色地区则多由玄武岩构成，其中包括钛铁矿。
为了获取这些矿物中的金属，我们正在开发的技术不仅仅是电解。美国宇航局正在尝试利用几种地球方法从这些物质中剥离出金属。桑德斯解释说，能够从钛铁矿中提取出铁和钛的磁选分离等技术尤为吸引人。
阿南德实验室这段时间开发的另一种技术是利用微波浓缩月球风化层中的金属。阿南德团队已经发现，当用微波加热月球风化层模拟物时，铁和其他一些元素可以从矿物中逃逸出来。阿南德解释说：“（金属）原本被锁定在硅酸盐矿物中，但当我们用微波加热它们时，铁就从硅酸盐结构中跑了出来，聚在一起，形成一个大大的金属团。最关键的是，这些纯金属团块用现有的技术就可以做提纯处理。”
家外之家
月球工地上需要的还不只是金属。除了提取金属，未经处理的原始月球风化层还有许多潜在应用，各国空间机构和各类商业公司都在竞相开发能够利用这种材料作建筑开发的工具。美国宇航局马歇尔空间飞行中心（位于美国亨茨维尔）科学技术办公室副主任柯奇 · 克林顿（Corky Clinton）解释说：“和你在地球建筑工地上看到的一样，在你尝试建造各类工程结构室时，有多种你可以想象在月球上能发挥同等作用的工具和硬件设备。”
我们可以用原始月球风化层建造能够保证屏蔽辐射和微陨石撞击的栖息地。月球风化层还能起到保温的作用，阻止栖息地内的热能向外耗散。原始月球风化层正在开发的另一项用途是制造带屏障的着陆平台，用以保护平台背后的各类基础设施，原理就和机场中使用的喷射气流偏转装置类似。运送补给的火箭会定期往返于月球基地与地球之间。欧洲空间局欧洲宇航员中心（位于德国科隆）科学顾问艾登 · 考利（Aidan Cowley）说：“火箭在月球上着陆时，发动机尾焰会喷射出大量气体，进而激起大量风化层。这个过程其实相当危险，因为这些尖锐的尘粒会像沙尘暴一样冲击周围的一切。”
以风化层为原材料生产砖块，然后再命令机器人用这些砖块建造房屋，就是我们现在正在探索的一种在月球上建造各种设施的方法。考利解释说：“我们开玩笑说，理论上可以是宇航员拿着砖块在月球上造东西，但现实情况很可能是自动化机器系统在大量人类的监督下执行这项任务。换句话说，宇航员要扮演的是包工头的角色。”
从更长期的角度上看，我们希望能消除月球工地对人类包工头的需要。克林顿说：“随着我们进一步建设更大、更复杂的基础设施，我们肯定希望它们能长期连续不断地工作。”为了实现这点，现在的计划是使用更多地球上远程操控的更自动化的操作系统。
目前正在探索的生产“月球风化砖”的各种技术本质上都是地球上使用的相关技术的变种。最简单的方法就是收集风化层后压实，然后再烧结。整个过程可以在类似烤箱的设备中完成，通过聚焦太阳光或者使用微波技术、激光技术加热。
另外，我们现在还在研究提升砖黏合程度的方法，比如筛出特定尺寸的材料、使用相关聚合物或黏合剂等。美国宇航局正在开发一种可以将风化砖黏合在一起的砂浆，作为波特兰水泥更环保的替代品。据估计，在地球上，在生产波特兰水泥过程中排放的二氧化碳量达到了每年全球二氧化碳排放量的大约8%。桑德斯说：“我们正在寻找可以在月球上使用的其他水泥。要是成功了，反过来也可以给地球水泥的生产提供另一个选项。”这种想法早有先例：已经有成百上千项原本为空间任务开发的技术在地球上找到了积极的用途，比如家庭隔热材料、记忆泡沫和婴儿配方奶粉。
另一种生产月球风化砖的方法是3D打印。与填充模具等传统方法相比，增材制造过程中的浪费更少。考利表示：“身在月球，你会想尽可能地高效。我们的想法是一层一层地把风化砖砌起来，边砌边烧结，同时用聚焦的太阳光或激光把风化砖黏合在一起。”未经处理的风化层粉末可以利用激光粉末床融合技术（在地球上，这项技术常用于3D打印金属物体）直接打印。或者，我们可以先把原始风化层融化并挤压成细丝，然后再使用熔融沉积建模（FDM）3D打印机。
美国宇航局还与总部位于得克萨斯的一家建筑公司艾肯（ICON）合作，共同开发能一次打印整个结构（而不是一块一块砖地分次打印）的超大型3D打印机。艾肯最出名的产品是3D打印混凝土房屋，现在，这家公司正在调整相关技术，旨在仅使用月球上就可获取的物质在月球表面打印基础设施。
给我充能
说到月球上的供能问题，太阳能是最容易想到的起点。问题在于，如何围绕月球绕地球公转的周期（28个地球日）在长时间的黑暗期保证电能供应不间断。
这个棘手的问题正是我们选择月球南极作为第一座月球基地建设位置的原因之一。另外两个原因分别是：我们可能在月球南极找到水冰；相较阿波罗计划靠近赤道的着陆地点，月球南极的温度变化没有那么极端。克劳福德解释说：“月球两极附近的部分山顶几乎永远沐浴在阳光中，且它们距离永远晒不到太阳、可能拥有水冰的区域只有几千米之遥。因此，建在月球南极附近的基地既靠近永远晒不到太阳、可能有水的区域，又靠近几乎永远沐浴在阳光中的区域。至于为什么选择南极，而不是北极，那是出于科学考虑：从地质角度上说，月球南极比北极更有意思。”
阿尔忒弥斯任务是计划在不远的将来重返月球的诸多项目之一
以氦-3为燃料的核聚变反应堆则是可以给月球基地供能的第二种潜在能量来源。在长达数十亿年的月球历史长河中，太阳风把大量氦-3嵌入了月球风化层。克劳福德说：“我们在研究阿波罗任务带回地球的样本时知晓了这一点。不过，月球风化层中氦-3的含量大概只有十亿分之几。”这个构想是否可行取决于需要加工处理多少月球风化层才能获取足够核反应堆使用的氦-3——以及这么做在经济上是否可行。
当然，月球上还有其他可用的潜在能量来源，但也很可能含量极少。除了水的迹象之外，美国宇航局LCROSS任务还在撞击的月球陨石坑内发现了存在甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、氢等挥发物的证据。桑德斯说：“那里竟然还有含碳化合物，这非常有意思，因为我们知道月球其他区域的碳含量极少。当然，最关键的还是含量问题。不过，如果你已经有了碳的来源和氢的来源，本质上就有了石化工业的基础，就可以开始考虑生产塑料、黏合剂、聚合物以及其他可以支持就地取材建造、施工的东西。”
有志必成
阿尔忒弥斯项目和未来数年内抵达月球的诸多登陆器任务应该能回答目前许多悬而未决的重要问题，例如：月球上究竟有哪些我们可以直接利用的资源？如何提取它们？月球基地计划到底是否可行？如果可行，基地应该建成什么样子？
能够从月球上带回样本的任务尤为重要。我们目前在研发、测试所有相关技术时使用的都是月球风化层模拟物，但这种材料都是根据对月球南极附近风化层实际构成的猜测（当然是有根据的猜测）生产制造的。迄今为止，我们还从来没有把那个区域的月球样本带回过地球。克林顿解释说：“这就有风险了。如果我们制造的模拟物与未来在月球上找到的风化层并不完全一样，那么相关过程难免会受到影响。”而取样返回任务可以让正在开发的技术使用真正的月球风化层，并通过相关分析配置资源，在试验工厂抵达月球前就制造出精准再现月球风化层构成的模拟物。
美国宇航局计划在2030年前后建成第一座月球基地并投入运行。克劳福德认为，这一目标是否能够实现，完全取决于美国宇航局为让宇航员重返月球而选定的太空探索公司星舰登陆器能否成功。他说：“就能运送到月球表面的有效载荷来说，太空探索公司研发的这种运输工具能力极强。”星舰登陆器庞大的货仓可以先行将试验工厂送往月球，并立刻开始着手验证就地取用月球风化层建造各类设施、提取水或金属的难易程度。克劳福德还补充说：“如果太空探索公司的星舰登陆器真能像宣传的那样工作，那它的性能可以说是极为强大了。”
资料来源 Chemistry World
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本文作者尼纳·诺特曼（Nina Notman）是一名自由科学作家，尤为擅长化学领域的报道
