怎样定居月球？（终极科技沙盒粉末）

如果我们真的要在月球上长期生活，一定绕不开的就是月尘。当然，它蕴藏着大量有关地球起源以及未来太空家园的线索，而普通老百姓可能更关心的是，我们未来搬去月球，它们怎么为我们所使用。实际上，科学家已经迫不及待地想要让双手沾上这些物质了。

月球的表面充满着秘密，尤其是表面覆着的精细尘埃。科学家期望在月球土壤中找到有关我们太阳系形成的线索，收集其他星球是什么样子的备选答案。另外，月球也是新一代载人航天任务的目的地和人类第一座永久地外前哨基地最可能的选址。

因此，我们不仅要学习如何与月尘这种恼人的物质共存，更需要了解怎么用这种物质造东西。换句话说，我们得亲自动手，让双手沾上这些看上去脏兮兮的物质。或者说，我们得让双手变得像风化层一样。

天外来客，我的太阳

“风化层”（Regolith）一词——地质学家乔治·梅里尔（George Merrill）在1897年创造了这个术语——来自古希腊词汇“毯子”和“岩石”，指的是一种混杂着岩石和精细颗粒的未固结松散覆盖物。地球上就有很多风化层，只不过我们总是叫它们别的名字，比如：土壤、冲积物、火山灰等。

不过，在月球上，我们就只有……风化层。另外，无论是从物理角度还是从化学角度上说，月球上的风化层与我们在地球上认识的各种物质都不相同。

在很长一段时间里，我们对月尘这种怪异的物质知之甚少。去过月球的宇航员告诉我们，月尘闻起来像是火药，而且边缘非常锐利。我们也成功地把一些月尘带回地球，加以研究。

中国国家航天局2020年的嫦娥五号任务成功地把差不多2千克月球土壤样本带回了地球。50多年前，三艘苏联月球探测器带回了326克月球土壤，而美国宇航局6次成功的阿波罗登月任务总计带回了382千克月球土壤。（遗憾的是，这些样本被污染了——砂砾般锋利的月尘切开了最早盛装样本的容器，使得这些月球土壤暴露在地球空气和水分中，发生了永久性改变。）

月球风化层的起源可以追溯到几十亿年前月球表面到处都是活火山的时期。不过，和地球上的风化层不同，月球岩石、土壤从来没有暴露在风和雨水之下，因而十分锐利——风的风化作用和水的侵蚀作用可以磨碎碎岩，使岩石变得圆润、平滑。

然而，月球岩石、土壤暴露在空间天气之下；所谓空间天气，是指太阳活动导致地球磁层、电离层和中高层大气产生的短时间尺度的变化，这种空间天气要比地球上最恶劣的天气严酷得多。

大部分月球风化层曾经都由更大、更坚固的石块构成。但数十亿年外来天体的撞击把月球风化层磨成了边缘锐利的精细粉末。

月球自诞生起就一直受到庞大小行星或彗星的撞击。这些不速之客可以把整个陨石坑炸飞，让岩石、土壤等物质溅射到整个月球表面（在某些情况下，还能一路溅射到地球）。除了击碎岩石，撞击还会产生足以形成熔融鹅卵石的热量。

这些鹅卵石在重新回到月球表面之前就会冷却，以微小玻璃状珠子的形式嵌入风化层——这就是执行阿波罗任务的宇航员看到的红色月尘，它们就在月球表面下方一点点的位置，不难发现。当然，庞大小行星或彗星的大规模撞击只是偶尔发生。除此之外，月球还经常受到微流星体的轰击，这个过程和小行星、彗星撞击并没有什么不同，只是规模小得多，却可以把受到撞击的物质碾成精细粉尘。

太阳则是另一个因素。

由于没有大气这层“保温被”，月球表面的温度会在一天中经历跨度达到几百摄氏度的波动。月球表面在受到阳光照射时可以启动化学反应，但一旦晒不到太阳，化学反应又会立刻停止。还有宇宙射线，也就是以接近光速涌入太阳系的各种微小带电粒子。宇宙射线击穿月球土壤后，会对后者造成微观尺度上的破坏。它们深深钻入风化层，留下一系列“改造”后的化学物质。

最后的结果就是，相比最普通的地球壳层，月球风化层的钛、镁、钙、铁等金属含量要高得多，但硅和氧的含量就相对较少，这使得以月球为基地开展工农业生产成了一项复杂且高度不确定的事业。

隐入月尘

当谈及月球岩石遍布、尘土飞扬的表面时，我们心中的疑问仍旧远远多于答案。目前，我们对月球表面的所有了解都来自我们已经获取的微不足道的样本（公正地说，我们从其他星球带回地球进而加以研究的就只有这些月球土壤样本，弥足珍贵），绕月卫星的远距离探测以及地基望远镜的观测。

我们仍旧不知道宇宙射线与太阳辐射如何与那些我们熟悉的分子发生相互作用，进而把它们转化成奇奇怪怪的新组合。

我们仍旧不知道留存至今的月球受轰击记录——就是月球表面那成百上千的撞击坑——能够告诉我们哪些关于太阳系形成之初的信息。

说到这里，其实我们仍旧不知道月球当初是怎么形成的。

找到这些问题的答案有助于科学家拼凑出有关太阳系形成的更多细节，还能帮助我们更深入地认识地球轨道之外宇宙的样子。月球是一座宇宙实验室，是太阳系中人类最容易抵达的星球，通过月球，我们可以直接研究地外世界的种种属性。

所以，我们还有很多事要做，很多地方要去。月球表面积超过3600万平方千米——大概相当于俄罗斯、加拿大和美国的陆地总面积。毫无疑问，勘探、挖掘、细致研究月球表面物质绝不是什么轻松的任务。好在，工程师和科学家已经想出了一些聪明的解决办法。

举个例子，最近赢得了美国宇航局创新先进概念计划资助的“余烬核心闪光灯”（EmberCore Flashlight）项目，会使用未来月球车放射性电源自然产生的X射线和γ射线照亮月球表面，收集各种有关月表性质的珍贵信息，且勘探区域远超月球车的正常探测范围。

当然，人类最终还是得亲身登月，没有任何探测活动可以代替人类勘探。相比我们现在使用的各种着陆器、月球车，下一代月球科学家在能力、反应速度和适应性上无疑都要强上几个数量级。然而，月尘会严重干扰人类的探索任务，在这样残酷的现实面前，下一代月球科学家起初也一定会经历一段漫长的艰难时期。

月尘对人类的影响主要体现在几个方面。

其一，和地球土壤不同，月球风化层中没有氧分——反而含有过量重金属，相当不适合植物生长。当然，从技术层面上说，地球植物也能在月球风化层中活下来，但恐怕很难保持健康。或许，未来的月球移民不得不采用大规模水培种植，或是通过相关工程大规模改造月球风化层，提升其氧含量，使其变得适宜耕种。

其二，经过数十亿年太阳风和宇宙射线的连续冲击，月尘已经被磨成了一种类似滑石粉的精细粉末。它们会附着在一切物体上，即便是最微小的缝隙也逃不过它们的入侵。月尘的磨蚀作用惊人，一般来说肯定对肺、皮肤、密封容器和各种机械极其有害。

然而，如果我们真的要在月球上长期生活，那么只是和风化层和平相处是远远不够的，我们还必须想办法让它们为我们所用。月球表面环境严酷，而未来的任何人类定居点都肯定需要大面积生活区。我们不可能把每一层楼、每一面墙、每一片屋顶、每一根支撑梁和椽子都从地球搬到月球上。至少在未来几代人的时间跨度内，高昂的轨道发射费用否决了这种大规模迁移部署的可能性。

因此，如果我们要在月球上建造房屋、仓库、道路以及各种与人类文明相关的建筑，那必然需要更大程度实现就地取材。

月球移民，先打地基

1985年，匹兹堡大学地质物理学家拉里·拜尔（Larry Beyer）构思了一种叫作“月球混凝土”（Lunarcrete）的建筑材料，它可以把月球风化层转变成混凝土。与地球上的混凝土一样，月球混凝土也由骨料、水和水泥构成，而骨料主要就由月球风化层充当，毕竟它们在月球上到处都是，储量丰富、开采简单。水反而是个大问题，但月球两极撞击坑中的冰状沉积物可能就含有水。水泥则用月球岩石中富含钙的沉积物生产。

借助阿波罗任务取得的月球表面样本，我们已经开展了不少相关实验，并且证明月球混凝土的构想在基础层面上具备可行性。不过，由于缺少更多样本，更深入的实验已无法开展。

其他研究人员则向国际空间站发送了人类模拟生产的月球风化层，以研究这种材料是否有能力作为3D打印的原材料。他们希望这项工作能为未来的人类月球移民活动打好基础。按照他们的设想，未来人类移民可以以月球岩石为材料，把它们打印成各种有用的形状，成为构筑人类月球基地的基础。

虽然移民月球听上去很遥远，但我们总是需要迈出第一步，先得了解如何规避地外风化层的危险，再去思考如何对它们加以利用，从而获取进一步探索太阳系的基本技能。有月球做沙盒，我们很走运。

来源：世界科学

原标题：像嫦娥一样居住广寒宫，人类一定绕不开它

编辑：wnkwef

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓

1.疼疼疼！手上倒刺反复长，真不是缺维生素，而是……2.够21万人喝一辈子的水，还不够谷歌服务器用7个月的？