近日，多家高校和科研機(jī)構(gòu)合作，利用黑龍江省鏡泊湖火山地下熔巖管道，建立了我國首個(gè)類月球地下空間教學(xué)實(shí)習(xí)基地。如果這座教學(xué)基地的優(yōu)勢(shì)條件能夠充分發(fā)揮，必將為我國月球地質(zhì)勘測(cè)、月球基地建設(shè)和月面資源原位利用提供有力支持。

“打卡”最像月球的地方

鏡泊湖火山地下熔巖管道被譽(yù)為“地球上最接近月球地下空間即月球熔巖管道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)之一”。因此，我國科研人員可以在這里建設(shè)類月球地下空間的教學(xué)實(shí)習(xí)基地，圍繞著月球科研和資源開發(fā)利用，開展大量研究和試驗(yàn)。

那么，月球熔巖管道究竟有何魅力，能夠在月球基地初步選址中被科學(xué)家們視為優(yōu)先地點(diǎn)，甚至在地球上建立模擬基地呢？

隨著航天技術(shù)進(jìn)步，以及人類社會(huì)發(fā)展對(duì)資源的無盡需求，未來月球探測(cè)任務(wù)不能只滿足于像阿波羅系列任務(wù)那樣“到此一游”而已，必須確保探月航天員長期駐留和活動(dòng)，建立月球基地，支持人類開發(fā)利用月球資源。

然而，即使?jié)M足了大幅降低地月空間航天運(yùn)輸成本的前提條件，人類想要在月球上建立長期工作生活基地，還需要戰(zhàn)勝一系列“攔路虎”。

首先是高能輻射。月球表面沒有大氣層和磁場的“包裹”保護(hù)，無論是來自宇宙深處的高能射線，還是太陽活動(dòng)爆發(fā)等釋放的劇烈輻射，都將直達(dá)月球表面，持續(xù)對(duì)航天員的身體健康及探月設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)造成威脅。

其次是極端溫差。由于缺乏大氣層緩沖和保溫，月面在白天受到陽光照射時(shí)，溫度會(huì)超過120攝氏度，而到了夜間，又會(huì)降溫到低于零下180攝氏度。而且，月晝和月夜持續(xù)時(shí)間均相當(dāng)于14個(gè)地球日，相對(duì)漫長的極端溫差交替，對(duì)人體和儀器設(shè)備均是極大的考驗(yàn)，還帶來了穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)大量能源的高要求。

再次，微流星體撞擊威脅不可忽視。月球沒有大氣層燒蝕掉大量來襲的微流星體，因此表面不斷遭受“不速之客”轟擊，密集的隕石坑就是證據(jù)。因此，人類如果想建立月球基地，有必要通過天地觀測(cè)手段掌握月面特定區(qū)域的微流星體撞擊情況，再合理選址，考慮工程結(jié)構(gòu)和防護(hù)問題。

綜上所述，受限于人類對(duì)月球環(huán)境的認(rèn)知程度和航天技術(shù)水平，在月球表面建立支持人員長期駐留的基地，短期內(nèi)恐怕是難以實(shí)現(xiàn)的。

幸運(yùn)的是，早在20世紀(jì)60年代末，科學(xué)家們通過分析月球遙感影像，判斷月球地下存在熔巖管道。隨著新一代月球軌道器獲取更多月面高清影像，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些洞穴，認(rèn)為它們是熔巖管道局部塌陷所形成的“天窗”。

結(jié)合一些月球探測(cè)器提供的重力場數(shù)據(jù)，科學(xué)家們確認(rèn)，月面之下存在深度至少數(shù)十米、寬度數(shù)十米至數(shù)百米、延伸長度從數(shù)百米到千米級(jí)不等的大量熔巖管道，有望為建設(shè)月球地下基地提供巨大的可利用空間。

相比環(huán)境極為苛刻的月球表面，月面之下的熔巖管道頂部存在厚數(shù)十米的月壤和玄武巖，形成了天然屏障，很可能有效屏蔽宇宙射線和太陽活動(dòng)高能粒子的輻射威脅，抵御微流星體轟擊更是不成問題。

另外，月球熔巖管道內(nèi)部溫度相對(duì)穩(wěn)定。科學(xué)家們間接測(cè)量發(fā)現(xiàn)，月球熔巖管道和地下洞穴陰影區(qū)溫度在零下20～30攝氏度之間。

因此，月球表面簡直是“冰火兩重天”，而在工程技術(shù)和能源供應(yīng)系統(tǒng)支持下，溫度較低卻更加穩(wěn)定的月球熔巖管道環(huán)境有足夠的潛力保障人類持續(xù)工作生活。

更令人驚喜的是，月球熔巖管道深處可能存在水冰資源，其內(nèi)部儲(chǔ)水條件比月球極區(qū)環(huán)境更優(yōu)越，不排除保存著太陽風(fēng)、彗星或月球早期巖漿帶來的水冰資源。

登月前先來“模擬考”

月球熔巖管道具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，有潛力成為月球基地的理想選址。然而，人類已有50多年未踏足月球，成功降落到月球表面的探測(cè)器也屈指可數(shù)，這導(dǎo)致月球熔巖管道暫時(shí)對(duì)人類來說仍是可望而不可即的。

那么，在探測(cè)器和航天員深入月球洞穴探索之前，有什么辦法先行開展測(cè)試，促進(jìn)技術(shù)成熟，降低風(fēng)險(xiǎn)呢？鏡泊湖類月球地下空間教學(xué)實(shí)習(xí)基地就是為此而生的。

事實(shí)上，在地球上模擬地外環(huán)境，支持深空探測(cè)任務(wù)研究，是科研人員屢試不爽的“妙招”。據(jù)公開資料顯示，嫦娥三號(hào)探測(cè)器發(fā)射前，我國在庫姆塔格沙漠與羅布泊交界處的阿克奇谷地建立了試驗(yàn)場，玉兔號(hào)月球車在那里進(jìn)行了大量測(cè)試。

科研人員對(duì)比分析多種地球地下空間環(huán)境后認(rèn)為，鏡泊湖火山地下熔巖管道應(yīng)該最適合建立模擬基地。主要原因是這里與月球熔巖管道的形成機(jī)制、整體形態(tài)類似，都是彎曲的半圓狀洞穴，內(nèi)部空間開闊，預(yù)計(jì)能滿足當(dāng)前研究需求。另外，鏡泊湖火山地下熔巖管道的地質(zhì)和氣候環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，受外界影響較少，適合持續(xù)模擬月球熔巖管道開展研究。

那么，這個(gè)類月球地下空間教學(xué)實(shí)習(xí)基地有可能開展哪些研究呢？

要知道，在月球熔巖管道內(nèi)開展建設(shè)，必須“無死角”探索，排查風(fēng)險(xiǎn)因素，還要確保洞穴密封性。航天員不可能貿(mào)然深入月球地下歷險(xiǎn)，因此眾多遙控機(jī)器人將擔(dān)任“先鋒大將”，也會(huì)在地球地下模擬基地充分測(cè)試。

例如，月球熔巖管道內(nèi)部想必崎嶇難行，科研人員打造了不同形態(tài)的機(jī)器人，有的配備柔性伸縮臂，有的裝了能夠靈活調(diào)整的輪足，以便自主安全探索地下深處的奧秘。它們可以在類月球地下空間教學(xué)實(shí)習(xí)基地“苦練本領(lǐng)”，盡量排除技術(shù)隱患，為在月球“大展身手”打好基礎(chǔ)。

科研人員對(duì)比分析多種地球地下空間環(huán)境后認(rèn)為，鏡泊湖火山地下熔巖管道應(yīng)該最適合建立模擬基地。主要原因是這里與月球熔巖管道的形成機(jī)制、整體形態(tài)類似，都是彎曲的半圓狀洞穴，內(nèi)部空間開闊，預(yù)計(jì)能滿足當(dāng)前研究需求。

更進(jìn)一步，類月球地下空間教學(xué)實(shí)習(xí)基地憑借相近的地質(zhì)條件，模擬月球環(huán)境，有助于科研人員開展一系列地質(zhì)勘測(cè)、地下結(jié)構(gòu)成像等基礎(chǔ)研究和前瞻性技術(shù)攻關(guān)，為探月工程培養(yǎng)更多實(shí)踐人才。

比如，這里有望開展月球環(huán)境自動(dòng)施工技術(shù)研究，利用天然地下洞穴結(jié)構(gòu)，演練智能施工，“裝修”月球洞室。

在此基礎(chǔ)上，科研人員還有可能模擬月球熔巖管道的恒溫低能耗環(huán)境，建設(shè)規(guī)模更大、運(yùn)行時(shí)間更長、更逼真的封閉式人工生態(tài)系統(tǒng)，為航天器和月球基地維生系統(tǒng)積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，有助于航天員和動(dòng)植物“地外謀生”。

再比如，科研人員可以在模擬地下基地安裝調(diào)試月震儀等傳感器，建設(shè)月球蜂窩無線網(wǎng)，測(cè)試制取月球建筑材料，打磨升級(jí)工藝。

必要時(shí)，科研人員利用模擬地下基地與其他局部模擬月球重力、近似真空環(huán)境的科研設(shè)施，開展對(duì)比研究，有望收獲更適應(yīng)月球環(huán)境的科研成果。

從地球到月球如何打造地下基地

在地球模擬地下基地充分演練各項(xiàng)技術(shù)設(shè)備后，通過多次探月任務(wù)選定合適的月球熔巖管道后，科研人員和航天員建設(shè)月球基地也不是輕而易舉的，仍有不少技術(shù)難題需要解決。

縱覽各國論證的月球基地方案，包括剛性艙組裝、柔性艙組裝、月面建筑、地下洞穴等。其中，月球熔巖管道基地雖然具備很多優(yōu)勢(shì)，但工程技術(shù)難度很大，僅是機(jī)器人深入月球熔巖管道勘探測(cè)繪，就不是當(dāng)前技術(shù)水平的月球車能夠勝任的，預(yù)計(jì)需要由航天員與人工智能機(jī)器人緊密協(xié)作。

這意味著，在月球地下基地完工之前，航天員至少需要短期駐留月面工作，也就有必要部署供他們短暫居住的簡易月面基地或艙室。例如，美國“阿爾忒彌斯計(jì)劃”打算部署月面柔性充氣式居住艙，建設(shè)月球前哨基地。

多數(shù)科研人員認(rèn)為，類似月球前哨基地最好部署在月球極地永久光照區(qū)，便于利用太陽能發(fā)電，同時(shí)確保地形相對(duì)平坦、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以便人員和物資多次落月，并部署月球科學(xué)探測(cè)和工程建設(shè)設(shè)備。

接下來，人類與機(jī)器人建設(shè)者將對(duì)月球熔巖管道進(jìn)行大規(guī)模普查和詳細(xì)勘測(cè)，篩選出綜合條件最佳的地址，并借助地月空間通導(dǎo)遙星座，獲得信息支持，初步修筑月面道路，便于人員和設(shè)備高效轉(zhuǎn)運(yùn)。

完成選址勘測(cè)和技術(shù)、物資準(zhǔn)備后，建設(shè)者們首先要在充分掌握月球熔巖管道地形地質(zhì)信息的前提下，嘗試將洞口和熔巖管道各處進(jìn)行密封處理，保障月球地下基地環(huán)境具備基本的氣密性，更加安全可靠。

同時(shí)，建設(shè)者們將清理熔巖管道內(nèi)部碎石、平整地面、加固洞壁等。為了兼顧安全和效率，最好在航天員監(jiān)視和必要遙控下，由人工智能機(jī)器人施工。

想完成這些工作，人類實(shí)施太空工程的能力需要“邁上一個(gè)臺(tái)階”，有必要在地球模擬地下基地中進(jìn)行長期測(cè)試，并在探月工程中充分實(shí)踐，爭取技術(shù)不斷升級(jí)。

那么，月球地下基地的建筑材料從哪里來？除建設(shè)初期部分特殊材料仍依賴從地球補(bǔ)給外，未來探月工程有必要開展大規(guī)模原位資源利用，就地取材，開發(fā)月球資源，提取、制備航天器推進(jìn)劑、氧氣、水及建筑材料，盡量做到自給自足。

可以說，月球原位資源利用是建設(shè)月球地下基地的技術(shù)前提。這些建筑材料在3D打印等技術(shù)輔助下，有望更高效地完成熔巖管道密封、加固和硬化作業(yè)。

月球地下基地不僅要保證運(yùn)行環(huán)境密封和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還要解決通信、能源供應(yīng)、再生式生命保障等一系列問題。

在探月任務(wù)中，可以嘗試?yán)迷虑蛸Y源，制造太陽能電池板、輸電線路、屏蔽輻射設(shè)施等。未來，月球地下基地將部署4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)，可以利用月面太陽能發(fā)電陣列或小型核反應(yīng)堆，為航天員工作、休息、娛樂穩(wěn)定供應(yīng)能源。

月球地下基地建設(shè)初期，重點(diǎn)工作可能包括制備水、氧氣等，改善運(yùn)輸條件，高效獲取補(bǔ)給物資，對(duì)再生式生命保障系統(tǒng)的需求不算太大。

隨著技術(shù)進(jìn)步和條件改善，建設(shè)者有可能在熔巖管道中開辟“月球農(nóng)場”，完善密閉式生態(tài)系統(tǒng)。

放眼未來，月球基地生活必將越來越豐富多彩，為月球城市建設(shè)培養(yǎng)“開路先鋒”。

◎ 來源|中國航天報(bào)