未來的月球基地建在哪兒？火山洞里→

在科幻電影中，我們經(jīng)常可以看到充滿現(xiàn)代工業(yè)質(zhì)感的月球基地。比如下面這種：

圖1 《獨行月球》電影中月球基地 圖源：《獨行月球》電影

不過月球基地真的長這樣嗎？未必，以后的探月者可能會住在洞里。

2022年底，來自中國的研究團隊（重慶大學先進技術(shù)研究院院長、教育部深空探測聯(lián)合研究中心常務(wù)副主任謝更新團隊與北京空間機電研究所研究員果琳麗的聯(lián)合研究）提出了在月球“火山洞”建大型基地的想法，引起了高度關(guān)注。

月球的“火山洞” 月球的“火山洞”其實就是熔巖管。熔巖管這個概念對大家來說可能有點陌生，但它的形成原理其實比較簡單。

當火山噴出的排山倒海的巖漿在地表流動時，巖漿外表面由于散熱較快先冷卻形成一定厚度的外殼，與此同時內(nèi)部的高溫巖漿卻在繼續(xù)流動，形成了中空的管道。在這個過程的持續(xù)作用下，巖漿流動時不斷“金蟬脫殼”造就了一根長長的熔巖管。

圖2 流動的巖漿 圖源：維基百科

熔巖管并不是月球的特產(chǎn)，它在包括地球在內(nèi)的多個星球上都有發(fā)現(xiàn)。地球上最大的熔巖管洞穴是位于韓國濟州島的“萬丈窟”，它長度超過13千米，高數(shù)十米, 寬十余米，是20萬至30萬年前火山爆發(fā)時形成的。我國黑龍江鏡泊湖火山巖區(qū)也發(fā)育有熔巖管，東北抗日聯(lián)軍曾將此作為地下工事抗擊侵華日軍。

圖3 韓國濟州島萬丈窟熔巖管（左），鏡泊湖地區(qū)火山熔巖管（右）圖源：參考文獻[2]

因為月球的引力比地球更小，巖漿在流動時更不容易坍落，所以月球熔巖管的體積往往比地球的要大。

2009年, 日本發(fā)射的月球環(huán)繞器發(fā)現(xiàn)了三個直徑和深度都為幾十米的洞穴，這些洞穴被認為是熔巖管道局部塌陷后形成的天窗。

圖4 月球熔巖管天窗（左），月球隕石坑（右），能看出熔巖管天窗和隕石坑差別比較大，和隕石坑相比，熔巖管天窗周圍沒有明顯凸起，內(nèi)部也沒有斜坡（圖源：參考文獻[2]，維基百科）

2011年，印度的月船一號探測器探測了月溪，發(fā)現(xiàn)這里的熔巖管頂部寬度超過300米； 2017年，美國普渡大學Blair教授的數(shù)值模擬結(jié)果顯示5公里寬的月球熔巖管在一定條件下仍可以保持穩(wěn)定；2020年，意大利帕多瓦大學Riccardo Pozzobon教授表示月球熔巖管長度在一定條件下可以超出40公里。

假設(shè)一個巨大的月球熔巖管寬度能達到5公里，長度能達到40公里，則其底部面積可以達到驚人的200平方公里，可以裝下6個澳門。

圖5 Blair教授的數(shù)值模擬結(jié)果 圖源：參考文獻[3]

建基地，為什么選了熔巖管？

了解完熔巖管的概念之后，第二個問題隨之而來，為什么選擇在熔巖管里建立月球基地呢？請大家試想，如果突然被送到了一個荒無人煙沒有房子的地方，大家會選擇去哪里過夜呢？當年人類祖先選擇了能遮風擋雨的洞穴棲居，而在月球上，一個熔巖管洞穴也能起到很好的保護作用。我們來看它的五大作用。

1.環(huán)境相對恒溫

目前尚沒有月球熔巖管內(nèi)部溫度的實測資料，但對于塌陷洞穴光照區(qū)和陰影區(qū)的溫度測量顯示了月面和洞穴內(nèi)部的溫度變化(如下圖)。圖中顯示月球表面溫度處于–170℃~110℃之間，溫差達到了280℃；而沒有光照的內(nèi)部溫度處于–20℃~30℃之間，溫差只有50℃。

按照這個溫度變化趨勢，研究團隊通過計算表明，當使月球基地內(nèi)部的溫度維持在人類能正常生產(chǎn)生活的20℃左右時，建立在熔巖管內(nèi)的相關(guān)能量消耗只有在月球表面的1/5。

圖6 對于塌陷洞穴光照區(qū)和陰影區(qū)的溫度測量 圖源：參考文獻[2]

2.抵御宇宙射線

有科學家估計月球表面一天的太陽射線輻射量為2 Sv, 是人類所能承受極限的1000倍以上，會嚴重威脅到基地工作人員的生命安全。而巖溶管頂部的月壤能夠有效抵御太陽射線，研究表明，6米厚的月壤就能將射線輻射劑量削弱到接近于零。熔巖管的埋深經(jīng)常達到數(shù)十米，所以在抵御宇宙射線方面很有優(yōu)勢。

圖7 不同深度月壤對宇宙射線的削弱作用 圖源：參考文獻[2]

3.避免太陽風的侵襲

太陽每時每刻都在向外拋射高速帶電粒子，主要是質(zhì)子和電子，這種現(xiàn)象被稱為太陽風。當太陽風抵達月球后，會使背陽面的細小物質(zhì)形成帶負電的月塵并向帶正電的向陽面移動。這種現(xiàn)象可能在日出和日落時大規(guī)模發(fā)生，對人體和儀器都會產(chǎn)生非常不利的影響?！读骼说厍?》中，人類好不容易帶上月球想用來點燃逐月衛(wèi)星發(fā)動機的550C計算機在經(jīng)歷太陽風后就徹底報廢了。

圖8 《流浪地球2》中太陽風對電子儀器的破壞 圖源：《流浪地球2》電影

而熔巖管內(nèi)部為永久陰影區(qū), 不會有月塵受太陽風影響向這里襲來。不僅如此，熔巖管的天窗還是監(jiān)測月塵運移的好地方。

4.防止隕石撞擊

隕石撞擊對月球基地的威脅很大，有研究表明，宇航服和1厘米厚度的鋁板暴露在月球表面一年, 被粒子擊穿的概率分別為8%和30%，而熔巖管頂部的月壤和月巖可以把絕大多數(shù)隕石攔截于月表。

圖9 《獨行月球》中“宇宙之錘”碎片沖擊月球基地（隕石多是天體碎片）圖源：《獨行月球》電影

5.可能賦存水冰

雖然月表經(jīng)常呈現(xiàn)出的是一片荒原的景象，但探測發(fā)現(xiàn)月球上是有水冰的，可能是太陽風中氫離子和月球表面含氧物質(zhì)反應(yīng)形成的，彗星撞擊帶入的或者是巖漿活動攜帶的。

2023年，科學家分析嫦娥5號收集的數(shù)據(jù)后在《nature geoscience》發(fā)表文章稱月球表面含水量可能高達2700億噸。由于熔巖管內(nèi)為永久陰影區(qū)，溫度很低，而且地勢低洼，有可能收集月球上的水冰。而一旦真的能夠發(fā)現(xiàn)大量水冰，將為月球基地的建設(shè)帶來極大的方便，為人類在月球的生產(chǎn)生活提供充分保障。

圖10 科學家在月球卡比厄斯環(huán)形山發(fā)現(xiàn)了水冰（Cabeus，左上方） 圖源：維基百科

建造月球基地？先在地球溶洞做實驗

由于人類目前缺乏在月球熔巖管內(nèi)建設(shè)基地的條件和經(jīng)驗，研究團隊獨辟蹊徑，提出用重慶喀斯特溶洞模擬月球熔巖管，在里面開展實驗進行工程建設(shè)。

雖然喀斯特溶洞和熔巖管的形成機理不太一樣，前者一般是地下水侵蝕碳酸鹽巖形成的，可以理解為地下水在日復一日年復一年的努力下，終于在巖體中溶解出了一個洞；而后者如前所述，是火熱巖漿在流動時外層冷卻形成的。但二者結(jié)構(gòu)上形態(tài)很相似，都是彎曲的半圓形洞穴；環(huán)境上都具有相對恒定的溫度；而且都是比較封閉的空間。所以在喀斯特溶洞中進行實驗?zāi)M是值得嘗試的。

圖11 重慶的喀斯特溶洞 圖片來源：參考文獻[1]

研究團隊準備從三個方面開展實驗。

第一，考慮到把大量人力物力送到月球上不太現(xiàn)實，能不能只送上去幾個機器人，它們就能自動地利用月壤月巖建設(shè)月球基地，于是要開展智能建造技術(shù)和原位資源利用技術(shù)的實驗。

第二，考慮到月球上沒有空氣，能不能在封閉的月球基地中引入合適的動物、植物和微生物，搭建一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，讓人類在基地中能像在地球上一樣自由呼吸新鮮空氣，所以也需要開展人工生態(tài)系統(tǒng)實驗。

第三，考慮到基地運行需要源源不斷的能量供應(yīng)，如果從地球往月球送那顯然成本過高，能不能充分發(fā)掘月球上的太陽能等能源，所以還需要在溶洞內(nèi)嘗試建立一套能源自動控制系統(tǒng)。

圖12 喀斯特溶洞模擬平臺 圖片來源：參考文獻[1]

科幻還是現(xiàn)實？相信未來吧

不過設(shè)想雖然很美好，但實際執(zhí)行中確實會碰到很多困難和挑戰(zhàn)。比如因為還沒有探測器進入過熔巖管內(nèi)部，目前還缺乏里面具體詳細的資料數(shù)據(jù)；又比如大規(guī)模封閉生態(tài)系統(tǒng)實驗還沒有成功的案例，九十年代轟轟烈烈的“生物圈2號”實驗最終也以失敗告終；再比如智能建造技術(shù)的發(fā)展也沒有那么成熟，目前還無法自動建造大型復雜的工程體系。

圖13 熔巖管探測車原理樣機 圖片來源：參考文獻[4]

盡管還有許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，但人類一直在努力，比如美國計劃2025 年讓探測器進入月球熔巖管開展相關(guān)實驗，世界各地對生態(tài)系統(tǒng)和智能建造的探索也在如火如荼地進行。

一旦熔巖管里的大型月球基地得以成功落地，那就意味著大規(guī)?？沙掷m(xù)的月球開發(fā)計劃將有可能持續(xù)進行：月球上豐富的資源有機會為人類所用，地月旅行或許也能進入尋常百姓家，月球也可以成為火星探測的大本營。這對人類生存發(fā)展的意義至關(guān)重大，我們可以選擇相信未來。

參考文獻
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[9]月球熔巖管、月球隕石坑.維基百科.

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作者信息

作者姓名：肖易東
單位：中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所