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月球哪里最适合建造基地,为什么?

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月球南极因为很可能有水,的确是极好的选址地点,中国的国际月球科研站就选在了月球的南极。

但长期来看,人类最终要利用整个月球的资源,所以建设月球基地还有比水更重要的因素要考虑,这就是月球基地的用途,以及修建、运输和运营的成本。

基地的用途

根据基地的用途,才能选择最适合的建设地点,

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

标注了嫦娥、阿波罗等着陆点的月球地形图 图源:维基百科、LOLA

比如,要建设天文观测基地,最合适的地点就不是南极,而是在月球背面。

嫦娥4号的着陆点就是在月球背面,就是上图右下角边缘处,写着Chang e 4- Yutu 2的红点。

因为月球背面永远背对着地球,不会被来自地球的电磁信号所干扰,月球背面非常适合建设射电望远镜,尤其是那些巨大的月球陨石坑。

下图是嫦娥4号在月球背面拍摄的360度全景照片,可以看到着陆点附近就有大大小小的各种陨石坑。

请横屏观看。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

嫦娥4号在月球背面着陆点的全景照片 图源:中国国家航天局、维基百科

图片中心的玉兔号月球车正在转向,试图绕开前方的陨石坑。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

玉兔2号月球车

月球上的陨石坑不计其数,有很多陨石坑的结构非常适合建设射电望远镜。

被誉为「中国天眼」的500米口径FAST射电望远镜,其选址就在贵州平塘喀斯特地貌地区,这里的平塘天坑群和月球上的陨石坑一样都适合建设射电望远镜。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

贵州平塘喀斯特

FAST项目最终在众多天坑中选择了大窝凼洼地。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

大窝凼原貌 图源:中科院国家天文台

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

FAST射电望远镜 图源:FAST官网

FAST射电望远镜因为其世界领先的庞大的口径和高灵敏度,建成之后很快就做出了世界一流的前沿发现。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

FAST发现脉冲星辐射新形态——矮脉冲族群

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

FAST发现轨道周期最短脉冲星系统

图片出处:FAST官网

美国的Lunar Crater Radio Telescope(LCRT)项目,就计划在月球背面寻找一座3到5千米的环形山,利用环形山的地形建设一面口径超过1千米直径的射电望远镜。

因为LCRT用于探测波长大于 10米的电磁波(即频率低于 30MHz),这个波段的电磁波被地球电离层阻挡,目前还没有被观测过,很有可能会和FAST一样做出很多重大的科学发现。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

Lunar Crater Radio Telescope(LCRT)

因为要探测的电磁波长达10米,所以LCRT不需要和FAST一样,铺满细密的金属网板,而是用非常稀疏的电线,编织一个巨大的蜘蛛网就可以了。

这样做带来的另一个好处是建设和运输的成本极低。

按照该计划的设想,望远镜和布线的机器人会分离登陆。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

在陨石坑中心登陆的是望远镜的网格线缆和接收器,而布线的机器人则在陨石坑边缘登陆。

两者分工合作,最终在陨石坑里构建起一个简易的超大射电望远镜。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

月球望远镜想象图 图源:JPL

如果对这个项目感兴趣可去访问下面的链接

Lunar Crater Radio Telescope: Illuminating the Cosmic Dark Ages

这样的地形和位置适合天文射电望远镜基地,但是对其他基地不一定适用。

比如,采矿基地就会要求矿产资源必须富集,更容易采集地下的资源,这样才能降低采矿的成本。

这种基地的选址更多的要考虑地质条件和岩石分布,下图是中科院地球化学研究所绘制的「月球地质图」。

请横屏观看。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

月球地质图 出处:维基百科

图源: ScienceDB 科学数据银行《月球1:250万全月地质图》

如果是火箭基地,就会要求地面尽可能的平整,这样便于修建着陆和发射的设施。基地最好接近月球赤道,也能降低发射的成本。

如果是太阳能发电基地,也会要求地形便于电池板的铺设和施工……等等

不同的基地对自然禀赋的要求完全不同,选址也会不同。

所以一个月球基地的选址,首先要考虑的应该是基地的用途是什么,再去寻找合适的自然资源,来匹配这个基地用途。

基地的成本

基地的成本包括地球与月球之间的运输成本,基地的建设和施工成本,基地的运营成本比如食物、水、空气和电力成本等。

2014年,在登月45周年之际,Buddy Loans公司曾经估算过在月球上生活的成本,结果是一个以10亿为单位的庞大数字。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

The Cost of Living on the Moon

出处:https://www.jpl.nasa.gov/infographics/the-cost-of-living-on-the-moon

当然,上面的成本估算已经是历史了。

如今已经过去了10年,经过SpaceX等航天公司的技术创新,2024年的火箭和发射成本已经比2014年大幅度降低。

在上图中,LEO(地球低地轨道)的成本还是2432美元/磅,也就是5362美元/公斤,而猎鹰系列火箭已经把成本降到了1000美元/公斤以下。

最值得期待的还是Starship火箭,如果该火箭实现了可重复使用,其单位成本将降到200美元/公斤,甚至更低的水平。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

1960年来太空发射每公斤成本

出处:https://www.newcapitalmgmt.com/news/the-cost-of-space-flight

我们正处在航天运力革命的时代,相信再过若干年,航天运送成本甚至有可能再降低一个数量级,也就是降低到几十美元/公斤,接近民航飞机的运货成本水平。

所以从地球前往月球的运输成本将来也会大幅度的降低,从地球往月球送货很有可能会变得很便宜。

这时候地月运输问题的关键就成为,如何降低从月球回到地球的成本?

目前已知,最可行的、成本最低的可重复运输技术可能是电磁弹射。

因为月球的重力小,只需达到2.4 km/s,就可以脱离月球的引力。由于没有空气阻力,速度也不会衰减。如果有足够多的太阳板提供电力,用足够长的轨道来加速,就能建立一个可复用的低成本发射系统。

2020年,中国运载火箭技术研究院申请了编号为CN112520065A的专利「一种月面电磁发射系统及方法」,下图是该发射系统的组成。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

月面电磁发射系统组成

有趣的是,在该专利的说明上,好像出现了文字内容的复制错误

本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种月面电磁发射系统及方法,实现舰载导弹的快速实战化发射,有效提高舰载武器的实战能力和作战效能。

估计是从舰载电磁炮或舰载电磁导弹发射系统修改而来的设计。

该电磁弹射系统的一个特色是,采用了分叉式的设计,即在不同的轨道弧段分离,可以进入不同的分离仰角,也就进入了不同的轨道。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

电磁轨道示意图

具体的系统设计和说明请查询该专利。

这样的电磁发射系统的轨道设计,要么是直线型的,要么是环形的。但是无论哪一种,都会要求有比较平整的地形来施工,所以月球上的平坦开阔的月海地区就很适合建设这种发射基地。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

月球地形图

图片出处:https://airandspace.si.edu/exhibitions/new-moon-rises

月球地形图中大片的蓝色区域就是月海。

因为平坦的区域施工成本更低,这些地方会因为交通成本低、建设成本低,将来会逐渐成为人类生活的主要区域。

2013年,日本的清水建设公司曾提出一个宏大的设想,在月球的赤道上修建一个太阳能发电环带。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

月球因为自转很慢,长达27天,所以夜晚也非常的漫长,接近2周的时间。

处在黑夜的人们没有太阳能可以提供电力,而这个发电环带是环绕月球的设计,就可以不间断的持续发电。

月球哪里最适合建造基地,为什么?配图

环带附近也是人类的生活定居点,在环带中心有一条用于交通的电磁轨道,提供快速的运输服务。

当然,这样的工程过于庞大,已经属于科学幻想的范畴,并不具备真正的可行性。

如果你也对这样天马行空的畅想而着迷,欢迎看我写的另一篇回答:

对月球进行什么改造才能在月球生活?

综上所述,月球哪里最适合建造基地,最重要的是看基地的用途,另一个要看各种成本,这是一个综合考量的结果,并不是只考虑「水」这一个要素。

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