魯超：怎樣建設“地月經濟區”（之一）——立足

【文/魯超】

近年來，有人提出“地月經濟區”的概念。一時間，很多人不明覺厲，點讚的憧憬着星辰大海，嘲諷的認為這是“放衞星”、“大躍進”。我認為既要仰望星空，更要腳踏實地。所以，我們就一步一步地來分析，看看“地月經濟區”有沒有建設的可行性？

要“太空殖民”的話，如果還將各種材料從地球“拖家帶口”帶出去，那將是不明智的，一定得考慮“就地資源利用”（ISRU）。從這個角度去思考，方向和商機就全來了。

美國NASA1989年對於月球殖民地的描述

一、水

人的生存離不開水。有這麼個説法：“在沙漠中，黃金無用，唯水無價。”和70%被海洋覆蓋的地球相比，月球就是個超級荒漠。

咱總不能帶着桶裝水上月球吧。

月球~~~走起~~~

然而，月球上確實是有水的。美國、蘇聯、印度的探測器以及我國的嫦娥一號都發現了月球上有冰態水的證據。月球的南北兩極處有很多地方常年“暗無天日”，接觸不到太陽的照射，是“永久陰影區”。水只有在這些地方才能得以保存，否則早就被陽光加熱蒸發掉了。

相比而言，南極的水分更多。所以，月球南極附近很可能是殖民月球的第一站。

前進吧！向月球南極！

月球南極（左）和北極（右）的表層冰分佈，藍色表示冰的位置

所以，第一個商機就是月球上的自來水公司，作業方式為：從凍土中提取水。

根據之前的採樣，“永久陰影區”的表面凍土中約含有5.6±2.9%的水，其中還混有氨、二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、甲醇、甲烷、乙烯等物質，更多的是附着在其他無機物質上的羥基（OH）。

下圖展示了一種“熱採礦”工藝。用精心設計的鏡子或透鏡將太陽光射入環形山的“永久陰影區”裏，讓冰昇華成水蒸氣，兩邊各放置一個凍幹機，讓水蒸氣凝結成水，蒐集起來。

一種想象中的熱採礦技術，用鏡子將太陽光照射到環形山裏的永久陰影處，將那裏的水變成水蒸氣提取出來

下一步就是淨化，這個不難，離子交換樹脂+反滲透膜即可搞定，這個可以從地球上帶來，可以使用一定的週期，定期更換即可。

RO膜需要帶幾套（圖片來源：LG chem.）

在月球上，水不光是人類生存的必要條件，還有其他妙用，我們後面慢慢看。

二、氧氣

水的問題解決以後，第二個核心問題就是呼吸。咱不能總帶氧氣瓶上去啊，那玩意老沉了。

月球呼叫地球，來幾罐這玩意。地球：好嘞，等幾天啊。月球：~~~

現在太空飛船裏，宇航員的氧氣主要來自水的電解，還有一種方法叫做固體燃料氧氣發生器（SFOG），也叫“氧氣蠟燭”——將氯酸鈉（NaClO3）和鐵粉（Fe）混合，點燃後就會產生氧氣，反應式如下：

一千克SFOG可以提供一個成年人6.5小時的氧氣，顯然供給不了長期的殖民生涯。在月球上，水更是一種極度稀缺的資源，直接電解水更是“暴殄天物”。所以，在月球上，不進行“就地資源利用”還真是不靠譜。

宇航員正在檢查宇宙飛船上的SFOG組件

月球表面的化學成分主要有：石英（二氧化硅SiO2）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鈣（CaO），氧化鐵（Fe2O3）、氧化鎂（MgO）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鈉（Na2O），都是含氧物質。約莫估算一下，月壤裏的氧元素約佔40-45%。但要把其中的氧元素提煉出來，都不是簡單的事情。

美國的拉里·弗裏森（Larry Friesen）在《在月球上獲取氧氣的過程》一文中，提到了7種提取氧氣的方法，均需要非常高的能量。

月壤元素分析，氧（Oxygen）佔42%

其中最成熟的一種方法是用氫氣還原鈦鐵礦（Fe2TiO5或FeTiO3），反應式如下：

FeTiO3+H2 ----> Fe+TiO2+ H2O

問題來了，氫氣從哪兒來呢？

當然還是電解水了：

2H2O ----> 2H2+O2

剛才不是説水金貴嗎？現在就不吝嗇了？

看清楚啊，這是個“循環經濟”啊！第一步反應已經得到了水，可以重複循環使用，總反應式如下：

2FeTiO3 ----> 2Fe+2TiO2+O2

鈦鐵礦，月球上鐵和鈦資源都比較豐富

鈦鐵礦本身會捕捉到一些太陽風裏的質子（氫），它的加工過程還將產生氫這種在月球上寶貴的資源，所以上述製氧過程會淨產生一些額外的水或氫，這是利好。

太陽風會給月球帶來一些氫資源和氦資源

等到“月球殖民地”初見規模，可以攜帶一些植物種子過去，在室內培養綠植，增加氧氣濃度。

月球園丁，走起~~~

三、能源

從前兩點我們能看出，水也好，氧氣也好，均需要能量支撐。前期可以攜帶一些核電池，它們可以永久工作。

“好奇號”火星車上就用到了核電池

NASA的核電池已經非常成熟，在好奇號火星探測器等處已經應用的非常普遍。其中使用的主要是鈈238的化合物，如二氧化鈈，鈈238輻射出的主要是α粒子，用一張紙就能阻擋，因此非常安全。

核電池的核心材料：二氧化鈈（PuO2），因內部放射性衰變而發紅光

但本着“就地資源利用”（ISRU）的精神，還得優先考慮月球上的自然能源。在可控核聚變發展出來之前，月球上最廉價的當然是太陽能。

月球上的晝夜每月（27-28天）循環一次，如果我們選擇首先“殖民”的地點位於月球南極處的某環形山，某些突出的地方可以永久接收到太陽的照射，在這裏建造太陽能發電站，實在太理想不過了！

幻想圖：在環形山的周圍突出部建造鏡子反射太陽光，投射到環形山的永久陰影區，或照明，或熱水，或發電

將太陽能電池板大批量攜帶到月球，不太現實，還得利用月球表面的材料。月壤裏45%都是二氧化硅，根據人類目前科技水平，將其中的硅不斷提取出來不是難事。所以在月球上第三步就是要建一個太陽能電池工廠。假以時日，在月球上建造一個完整的太陽能電池陣列就可以提供整個“月球殖民地”的能源，甚至還有可能傳輸回地球，供應未來的“火星殖民地”。

風險在於微隕石的撞擊，這是後話。

假想中月球上的太陽能電池陣列

四、建築

先別考慮蓋房子。大規模搞房地產太費周折了，還懼怕微隕石。

還是那句話：“就地資源利用”！“就地資源利用”！“就地資源利用”！重要的話説三遍！

在地球上，咱人類曾經“穴居”過。在月球上，可能也得考慮先經歷一下“穴居人”的階段。

月球上，還真有這樣的理想場所——月球熔岩管。

想象圖：宇航員正在探測月球熔岩管，作為自己的棲息之地

古老的月球上也曾發生過火山噴發。岩漿通過火山的管道噴射出去，當熔岩流的表面變硬以後，內部的流質岩漿會倒退回去，管道可能會排空，形成一箇中空的空隙，這就是“月球熔岩管”（Lunar lava tube）。

如今冷卻下來的月球上，已經找到了若干熔岩管。有一些熔岩管很細長，也有一些比較寬敞。比如2011年， NASA的月球勘測軌道飛行器（Orbiter）對馬裏烏斯丘陵地區熔岩管的觀測表明，這個熔岩管有36米深，內部卻足有65米寬。後來美國的重力探測器（GRAIL）發現月球上存在一些寬度達1公里的熔岩管。這為我們未來在月球上的“穴居”生活提供了巨大的空間。

想象圖：將一種漫遊車放入熔岩管內，進行探測，月面上的着陸器為它提供通訊等支持

選址結束，下面就要考慮建築材料了。

前面講了，月壤的主要成分裏有硅、鋁、鈣，這些都是理想的混凝土材料。早在1985年，美國匹茲堡大學的科研人員就提出，用月壤加工“月球混凝土”的想法。只不過，這裏又需要水，月球上的水資源可真是“金貴”啊。

除此之外，月壤裏豐富的二氧化硅可以被加工成玻璃纖維，顯着提高建築材料的強度，並減輕重量。

美國愛好者按照月壤配方製作的“月球混凝土”

但需要注意，月球的重力很小，只有地球的1/6，這一點有好有壞。在地球上，很多建築材料是靠重力鑄造來定型的，在月球上就不一定適用了。雖然我們已經掌握了壓力鑄造技術，但並不是每種材料都適用。

你一定想到了，近年來發展起來的3D打印技術在月球上找到了最好的應用場景。

用1.5噸重的模擬月球塵埃進行3D打印，以證明使用月壤建造月球基地的可行性

來吧，月球混凝土工廠和玻璃纖維工廠HR招人，管食宿。

熔岩管裏造房子，搞基建，走起

五、作物

説起食宿，又是一個大問題。尤其咱中國人，住得湊活就行，吃一定得吃好。可從地球上運送新鮮的食品上月球又是一件苦差事呢。

本着“就地資源利用”的精神，你是不是想起了《火星救援》裏的種土豆？

《火星救援》劇照

之前已經在取回的月壤裏做過模擬實驗，發現番茄和小麥是可能在月壤裏發芽的，這就是我們的希望！番茄面有望，能不能加個雞蛋就要看看後續能不能建個養雞場了。

月球餐館指定食品——番茄湯麪

根據之前提到月壤的主要成分，你會發現無機礦物特別多，簡直就是一個乾涸了的鹽湖。而碳、氮、磷等生命必需的元素特別少，所以前期的耕種作業會非常有限。如果我們要耕種更多樣的作物，就需要對其進行補碳、補氮。

具體怎麼辦呢？反正從地球上大規模攜帶這些元素極其不經濟。有句古話説得好：“肥水不流外人田！”我只想説，宇航員們，請留下你們的便便，這都是月球殖民地的寶貴財富。

用面壁者的話來説：“這是計劃的一部分。”

還有一種更有效的方法，就是用細菌改造月壤。這裏最有希望的就是藍細菌。在地球上，它們幾乎無處不在：水體、土壤和生物體內就不説了，甚至在各種惡劣環境（比如冰原、鹽湖、荒漠）中都可找到它們的蹤跡。

將它們投放到月球上，可以分解月壤、參與光合作用併產生一些固氮效果，藍細菌可能會是引領“月球殖民計劃”的“先鋒生物”。

藍細菌（Cyanobacteria）

小結一下，排個序吧：

自來水廠——製氧工廠——太陽能硅片工廠——建築材料廠——種植場——餐館——……

好了，“月球殖民地”科技樹我已經給你排好了，你是不是已經摩拳擦掌，想感受一下不斷聽到的“construction complete”。

come on！月球上來玩紅警~~~

當以上基建結束以後，我們只能算是在月球上立了足，這才只是“月球殖民”的第一步。我們仍要擼起袖子加油幹，還有很多未來的超級項目在等待着我們，下期再會。

參考資料：

1，《Commercial Lunar Propellant Architecture——A Collaborative Study of Lunar Propellant Production》

2，https://science.howstuffworks.com/oxygen-made-aboard-spacecraft.htm

3，https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/on-second-thought-the-moons-water-may-be-widespread-and-immobile

4，《Composition of the Moon’s Crust》

5，《Lunar Science：A Post Apollo View》

6，《Processes for Getting Oxygen on the Moon》

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