鲁超：怎样建设“地月经济区”（之一）——立足

【文/鲁超】

近年来，有人提出“地月经济区”的概念。一时间，很多人不明觉厉，点赞的憧憬着星辰大海，嘲讽的认为这是“放卫星”、“大跃进”。我认为既要仰望星空，更要脚踏实地。所以，我们就一步一步地来分析，看看“地月经济区”有没有建设的可行性？

要“太空殖民”的话，如果还将各种材料从地球“拖家带口”带出去，那将是不明智的，一定得考虑“就地资源利用”（ISRU）。从这个角度去思考，方向和商机就全来了。

美国NASA1989年对于月球殖民地的描述

一、水

人的生存离不开水。有这么个说法：“在沙漠中，黄金无用，唯水无价。”和70%被海洋覆盖的地球相比，月球就是个超级荒漠。

咱总不能带着桶装水上月球吧。

月球~~~走起~~~

然而，月球上确实是有水的。美国、苏联、印度的探测器以及我国的嫦娥一号都发现了月球上有冰态水的证据。月球的南北两极处有很多地方常年“暗无天日”，接触不到太阳的照射，是“永久阴影区”。水只有在这些地方才能得以保存，否则早就被阳光加热蒸发掉了。

相比而言，南极的水分更多。所以，月球南极附近很可能是殖民月球的第一站。

前进吧！向月球南极！

月球南极（左）和北极（右）的表层冰分布，蓝色表示冰的位置

所以，第一个商机就是月球上的自来水公司，作业方式为：从冻土中提取水。

根据之前的采样，“永久阴影区”的表面冻土中约含有5.6±2.9%的水，其中还混有氨、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、甲醇、甲烷、乙烯等物质，更多的是附着在其他无机物质上的羟基（OH）。

下图展示了一种“热采矿”工艺。用精心设计的镜子或透镜将太阳光射入环形山的“永久阴影区”里，让冰升华成水蒸气，两边各放置一个冻干机，让水蒸气凝结成水，搜集起来。

一种想象中的热采矿技术，用镜子将太阳光照射到环形山里的永久阴影处，将那里的水变成水蒸气提取出来

下一步就是净化，这个不难，离子交换树脂+反渗透膜即可搞定，这个可以从地球上带来，可以使用一定的周期，定期更换即可。

RO膜需要带几套（图片来源：LG chem.）

在月球上，水不光是人类生存的必要条件，还有其他妙用，我们后面慢慢看。

二、氧气

水的问题解决以后，第二个核心问题就是呼吸。咱不能总带氧气瓶上去啊，那玩意老沉了。

月球呼叫地球，来几罐这玩意。地球：好嘞，等几天啊。月球：~~~

现在太空飞船里，宇航员的氧气主要来自水的电解，还有一种方法叫做固体燃料氧气发生器（SFOG），也叫“氧气蜡烛”——将氯酸钠（NaClO3）和铁粉（Fe）混合，点燃后就会产生氧气，反应式如下：

一千克SFOG可以提供一个成年人6.5小时的氧气，显然供给不了长期的殖民生涯。在月球上，水更是一种极度稀缺的资源，直接电解水更是“暴殄天物”。所以，在月球上，不进行“就地资源利用”还真是不靠谱。

宇航员正在检查宇宙飞船上的SFOG组件

月球表面的化学成分主要有：石英（二氧化硅SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化钙（CaO），氧化铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、二氧化钛（TiO2）、氧化钠（Na2O），都是含氧物质。约莫估算一下，月壤里的氧元素约占40-45%。但要把其中的氧元素提炼出来，都不是简单的事情。

美国的拉里·弗里森（Larry Friesen）在《在月球上获取氧气的过程》一文中，提到了7种提取氧气的方法，均需要非常高的能量。

月壤元素分析，氧（Oxygen）占42%

其中最成熟的一种方法是用氢气还原钛铁矿（Fe2TiO5或FeTiO3），反应式如下：

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

问题来了，氢气从哪儿来呢？

当然还是电解水了：

2H2O ----> 2H2+O2

刚才不是说水金贵吗？现在就不吝啬了？

看清楚啊，这是个“循环经济”啊！第一步反应已经得到了水，可以重复循环使用，总反应式如下：

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

钛铁矿，月球上铁和钛资源都比较丰富

钛铁矿本身会捕捉到一些太阳风里的质子（氢），它的加工过程还将产生氢这种在月球上宝贵的资源，所以上述制氧过程会净产生一些额外的水或氢，这是利好。

太阳风会给月球带来一些氢资源和氦资源

等到“月球殖民地”初见规模，可以携带一些植物种子过去，在室内培养绿植，增加氧气浓度。

月球园丁，走起~~~

三、能源

从前两点我们能看出，水也好，氧气也好，均需要能量支撑。前期可以携带一些核电池，它们可以永久工作。

“好奇号”火星车上就用到了核电池

NASA的核电池已经非常成熟，在好奇号火星探测器等处已经应用的非常普遍。其中使用的主要是钚238的化合物，如二氧化钚，钚238辐射出的主要是α粒子，用一张纸就能阻挡，因此非常安全。

核电池的核心材料：二氧化钚（PuO2），因内部放射性衰变而发红光

但本着“就地资源利用”（ISRU）的精神，还得优先考虑月球上的自然能源。在可控核聚变发展出来之前，月球上最廉价的当然是太阳能。

月球上的昼夜每月（27-28天）循环一次，如果我们选择首先“殖民”的地点位于月球南极处的某环形山，某些突出的地方可以永久接收到太阳的照射，在这里建造太阳能发电站，实在太理想不过了！

幻想图：在环形山的周围突出部建造镜子反射太阳光，投射到环形山的永久阴影区，或照明，或热水，或发电

将太阳能电池板大批量携带到月球，不太现实，还得利用月球表面的材料。月壤里45%都是二氧化硅，根据人类目前科技水平，将其中的硅不断提取出来不是难事。所以在月球上第三步就是要建一个太阳能电池工厂。假以时日，在月球上建造一个完整的太阳能电池阵列就可以提供整个“月球殖民地”的能源，甚至还有可能传输回地球，供应未来的“火星殖民地”。

风险在于微陨石的撞击，这是后话。

假想中月球上的太阳能电池阵列

四、建筑

先别考虑盖房子。大规模搞房地产太费周折了，还惧怕微陨石。

还是那句话：“就地资源利用”！“就地资源利用”！“就地资源利用”！重要的话说三遍！

在地球上，咱人类曾经“穴居”过。在月球上，可能也得考虑先经历一下“穴居人”的阶段。

月球上，还真有这样的理想场所——月球熔岩管。

想象图：宇航员正在探测月球熔岩管，作为自己的栖息之地

古老的月球上也曾发生过火山喷发。岩浆通过火山的管道喷射出去，当熔岩流的表面变硬以后，内部的流质岩浆会倒退回去，管道可能会排空，形成一个中空的空隙，这就是“月球熔岩管”（Lunar lava tube）。

如今冷却下来的月球上，已经找到了若干熔岩管。有一些熔岩管很细长，也有一些比较宽敞。比如2011年， NASA的月球勘测轨道飞行器（Orbiter）对马里乌斯丘陵地区熔岩管的观测表明，这个熔岩管有36米深，内部却足有65米宽。后来美国的重力探测器（GRAIL）发现月球上存在一些宽度达1公里的熔岩管。这为我们未来在月球上的“穴居”生活提供了巨大的空间。

想象图：将一种漫游车放入熔岩管内，进行探测，月面上的着陆器为它提供通讯等支持

选址结束，下面就要考虑建筑材料了。

前面讲了，月壤的主要成分里有硅、铝、钙，这些都是理想的混凝土材料。早在1985年，美国匹兹堡大学的科研人员就提出，用月壤加工“月球混凝土”的想法。只不过，这里又需要水，月球上的水资源可真是“金贵”啊。

除此之外，月壤里丰富的二氧化硅可以被加工成玻璃纤维，显着提高建筑材料的强度，并减轻重量。

美国爱好者按照月壤配方制作的“月球混凝土”

但需要注意，月球的重力很小，只有地球的1/6，这一点有好有坏。在地球上，很多建筑材料是靠重力铸造来定型的，在月球上就不一定适用了。虽然我们已经掌握了压力铸造技术，但并不是每种材料都适用。

你一定想到了，近年来发展起来的3D打印技术在月球上找到了最好的应用场景。

用1.5吨重的模拟月球尘埃进行3D打印，以证明使用月壤建造月球基地的可行性

来吧，月球混凝土工厂和玻璃纤维工厂HR招人，管食宿。

熔岩管里造房子，搞基建，走起

五、作物

说起食宿，又是一个大问题。尤其咱中国人，住得凑活就行，吃一定得吃好。可从地球上运送新鲜的食品上月球又是一件苦差事呢。

本着“就地资源利用”的精神，你是不是想起了《火星救援》里的种土豆？

《火星救援》剧照

之前已经在取回的月壤里做过模拟实验，发现番茄和小麦是可能在月壤里发芽的，这就是我们的希望！番茄面有望，能不能加个鸡蛋就要看看后续能不能建个养鸡场了。

月球餐馆指定食品——番茄汤面

根据之前提到月壤的主要成分，你会发现无机矿物特别多，简直就是一个干涸了的盐湖。而碳、氮、磷等生命必需的元素特别少，所以前期的耕种作业会非常有限。如果我们要耕种更多样的作物，就需要对其进行补碳、补氮。

具体怎么办呢？反正从地球上大规模携带这些元素极其不经济。有句古话说得好：“肥水不流外人田！”我只想说，宇航员们，请留下你们的便便，这都是月球殖民地的宝贵财富。

用面壁者的话来说：“这是计划的一部分。”

还有一种更有效的方法，就是用细菌改造月壤。这里最有希望的就是蓝细菌。在地球上，它们几乎无处不在：水体、土壤和生物体内就不说了，甚至在各种恶劣环境（比如冰原、盐湖、荒漠）中都可找到它们的踪迹。

将它们投放到月球上，可以分解月壤、参与光合作用并产生一些固氮效果，蓝细菌可能会是引领“月球殖民计划”的“先锋生物”。

蓝细菌（Cyanobacteria）

小结一下，排个序吧：

自来水厂——制氧工厂——太阳能硅片工厂——建筑材料厂——种植场——餐馆——……

好了，“月球殖民地”科技树我已经给你排好了，你是不是已经摩拳擦掌，想感受一下不断听到的“construction complete”。

come on！月球上来玩红警~~~

当以上基建结束以后，我们只能算是在月球上立了足，这才只是“月球殖民”的第一步。我们仍要撸起袖子加油干，还有很多未来的超级项目在等待着我们，下期再会。

参考资料：

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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