月球上的充氣城堡：充氣棲息地是月球基地開始的最好方式

在未來的十年裡，全世界多個航天機構將自阿波羅時代以來首次將宇航員送上月球。除了美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、中國和俄羅斯航天局（Roscosmos）之外，SpaceX 和 Blue Origin 等商業太空實體也希望在發展自己的私人企業的同時，開展支援人類探索的常規任務。隨著時間的推移，這項活動可能會引發永久性基礎設施的建立、人類的定期存在，以及月球經濟的出現。然而，關於人類將如何在月球條件下生活以及需要什麼型別的設施，仍然存在許多問題。

為此，奧地利的充氣結構專家 Pneumocell 最近進行了一項研究，以確定輕量級預製結構是否是一個合適的選擇。根據這項研究，一系列甜甜圈形狀的充氣結構，可以以較低的成本被運送到月球，然後在那裡充氣。這些棲息地將部分埋在月球風化層下，周圍有太陽能反射鏡，可以將陽光直接射入它們的溫室。這種“充氣月球居所”為在月球上建立立足點提供了一種經濟實惠、高度自給自足的方式。

這項研究由 Pneumocell 公司執行長托馬斯·赫齊格（Thomas Herzig）領導，他是一位奧地利建築師，擅長為極端環境設計自給自足的棲息地。加入研究團隊的還有匈牙利德布勒森大學的實驗物理學家

加博爾·比哈里（

Gabor Bihari）和奧地利科學院（OeAW）的研究員

諾伯特·科爾梅

（Norbert Kmle）博士。該研究是在 Pneumocell 公司向歐洲航天局 （ESA） 的開放空間創新平臺（OSIP）提交“充氣月球棲息地”的想法後，於 2021 年至 2022 年進行的。

這項研究得到了歐空局“發現與準備”專案的支援，該專案對新任務概念進行設計可行性研究，並幫助歐空局制定探索戰略。這項研究的目標是開發一個可以利用月球資源的月球棲息地的設計，即原地資源利用（ISRU），並實現自給自足。這一概念可歸結為三個主要步驟，包括：

預製超輕型充氣結構。

在結構上覆蓋一層風化層以有效抵禦極端溫度、隕石和宇宙輻射。

利用“向日葵”鏡子將陽光直接射入溫室。在黑暗時期，電力由電池和/或燃料電池提供。

這些預製結構將被運送到月球著陸點，在那裡它們將被充氣並覆蓋在4到5米的疏鬆風化層中。在每個棲息地的上方，將豎立起一個桁架，以容納一個設計用來跟隨太陽穿過天空的反射膜。鏡子本身由鍍銀的卡普頓（Kapton）組成，這是一種聚醯亞胺薄膜，能夠承受極端溫度和振動。

這些陽光直射到棲息地，錐形鏡子將陽光反射到周圍的溫室中。

到達那裡

預製結構的輕質和模組化結構，使其運輸到月球非常划算。在此基礎上，Pneumocell 公司執行長托馬斯·赫齊格和他的同事們分析了模組和宇航員可能的運輸方式（基於現有或計劃中的航天器）。雖然它們表明，SpaceX 的星際飛船將能夠將所有必要的元件運送到月球，但發射服務也可以由阿麗亞娜-64這樣的小型火箭提供。阿麗亞娜-64是阿麗亞娜6號的改進版，有四個固體火箭助推器。

這將與歐洲大型後勤著陸器（EL3）配對，這是一個計劃中的飛行器，旨在完成歐洲航天局提出的多種型別的月球任務。他們還表示，實現充氣月球棲息地不需要月球門戶，儘管它可能是任務的一部分。目前，美國宇航局計劃在2024年之前將“門戶”的核心部件 —— 動力和推進元件（PPE）以及“棲息地和後勤前站”（HALO）—— 送往月球，並與SpaceX公司簽訂了合同，由其提供獵鷹重型火箭的發射服務。

棲息地選址

當然，地點選擇必須在任何任務發射前進行。因此，托馬斯·赫齊格和他的同事們首先考慮的是月球兩極附近的最佳地點。這項研究使用了美國宇航局月球勘測軌道飛行器（LRO）的資料，以及基於以前月球地質研究的照明模型（Glaser et al。 2015、2018）。他們確定了兩個最佳位置，即南極附近沙克爾頓（Shackleton）隕石坑和德格拉什（de Gerlache）隕石坑之間的 C1“連線脊”，以及北極附近欣謝爾伍德（Hinshelwood）隕石坑邊緣附近的 H0 區域。

這些地點提供了最佳的照明條件，並且靠近永久陰影區域（PSRs）或火山口底部，可以獲得豐富的近地表水冰。這與美國宇航局最近確定的阿耳特彌斯III號任務的13個潛在著陸點的名單是一致的（其中包括沙克爾頓隕石坑的邊緣，這是基於LRO的資料）。然而，托馬斯·赫齊格和他的同事指出，地形可能過於陡峭和崎嶇，而且地面可能存在機械不穩定。

研究小組還根據這些地點接受太陽照射的情況對其進行了評估，在表面和太陽鏡的高度分別建立了10米和20米的照明剖面。

他們計算出，在北極的 H0 站點，最長的不間斷完全黑暗的時間是11天，而在南極的C1站點，只有4天。

在這兩種考慮之間，北極的地點在結構上似乎更合理，而南部的地點提供了更好的機會，更好的照明。

月球棲息地

每個棲息地都由房間模組組成，可以與其他房間模組連線，以擴充套件棲息地，並增加工作人員的總容量。關於建築材料，該團隊研究了幾種可能性，並建議使用碳纖維增強聚合物（

CFRP

）。他們特別推薦使用熱塑性聚氨酯（TPU）或聚酯薄膜（

Mylar

）來製作棲息地牆壁，

用Dyneema（一種由聚乙烯層壓在兩片聚酯之間的複合材料）來製作支撐鏡子的管子。

上圖：此處顯示的是 Artemis III 的 13 個候選著陸區域的渲染圖。

主要模組是環形（甜甜圈狀）溫室，其走廊直徑為5。2米，總直徑為22。2米。這些溫室透過隧道系統連線，附加的模組（生活區和工作區）連線到它們的外部。該團隊建議從一個溫室開始，並隨著時間的推移新增額外的模組，以實現以下架構：

我們建議建立一個由16個溫室單元組成的“村莊”，這些溫室單元呈雙線性排列，以減少太陽沿月球地平線移動時鏡塔之間的相互陰影。溫室、生活區和相連的隧道都是由雙層充氣薄膜製成的，而承載上層鏡子的塔樓是由碳纖維管組成的低重量建築。此外，走廊的冗餘使各部分保持連線，即使某些部分在事故中被摧毀。

為了節省重量，所有的鏡子都由鍍銀箔製成，透過靜電充電彎曲成正確的形狀。這利用了月球風化層的一個關鍵特徵，即它的帶電性質使其粘在所有東西上（並對機械和宇航員的健康構成重大危害）。 上部鏡子以一定角度放置，以將近乎水平的陽光反射到圓環的幾何中心。 從那裡，它透過一個由兩個透明箔片組成的窗戶透過錐形鏡反射到溫室中。

該反射鏡系統將能夠在月球日提供大約65千瓦的電力。正如他們所指出的，這對糧食生產是必要的，但可能會導致溫度問題：

“雖然這種能量對最佳化促進光合作用是必要的，但如果沒有主動冷卻散熱器，它會迅速使溫室過熱。在我們的設計中，冷卻系統以氨和水作為工作流體。這樣，在光照階段，溫室內的溫度可以保持在接近26°C。在黑暗時期，主動冷卻被關閉，映象的滾動百葉窗覆蓋窗戶，以將熱損失限制到最低限度。”

接下來，他們考慮了棲息地的生命支援系統和食物生產，以及這些如何成為滿足宇航員所有需求的回收系統的一部分。對於大氣需求，他們得出的結論是，在0。5巴的壓力下，35%的氧氣、64%的氮氣和1%的二氧化碳（CO2）的混合物對溫室是理想的。這與地球略有不同，按質量計算，地球由23%的氧氣、75。5%的氮氣和0。06%的二氧化碳組成，在海平面上的氣壓為101。325千帕（1。01325巴）。

上圖：充氣月球棲息地概念。

整個系統由太陽能驅動，是週期性的，溫室植物透過光合作用代謝二氧化碳，併產生氧氣作為副產品。這不僅能補充宇航員的氧氣供應，還能防止宇航員撥出的二氧化碳積聚。與此同時，不可食用的植物廢物和糞便被製成堆肥，形成天然肥料，幫助保持土壤健康。在黑暗時期，過量的二氧化碳被暫時儲存在低溫容器中，並在白天重新引入。這就相當於創造了一個閉環的生物生態系統，正如托馬斯·赫齊格和其研究團隊所描述的那樣：

“總之，從長期來看，似乎有可能創造一個封閉的系統，在這個系統中，每個溫室單元生產的食物足以養活兩個人，而不需要從地球上進口額外的食物。一般來說，我們在小範圍內創造了一個我們在地球上應該有的完整的可持續生態迴圈。”

與其他棲息地相比的成本/收益

作為最後一步，該團隊評估並比較了他們的提議，和其他兩個最近開發的（歐空局支援的）月球棲息地設計。其中包括，福斯特和合夥人於2012年提出的月球前哨，以及SOM建築事務所於2019年推出的月球村。這兩種設計很好地代表了空間棲息地所考慮的元素。月球前哨站由一個由3D列印外殼（使用風化層和聚合物）覆蓋的充氣結構組成，而月球村則需要預製剛性和部分充氣結構。

上圖：月球前哨站，歐洲航天局支援的月球基地設計研究。

這兩種元素在“PneumoPlanet”棲息地的使用中結合了它們的優點，同時提供了最大的成本效益。正如托馬斯·赫齊格和他的團隊總結的那樣：

“到目前為止，我們的“PneumoPlanet”設計的特點是，每平方米可用面積的有效載荷最低，對宇宙粒子輻射的保護最有效，對建設過程和操作的能源需求最低。此外，它是迄今為止發表的所有概念中唯一一個為自給自足生產食物和氧氣提供完整的生態迴圈的概念。”

簡而言之，充氣式月球棲息地結合了低運輸成本、充氣式模組、ISRU和閉環系統等優點，確保在月球上安全、可持續地生活。托馬斯·赫齊格和他的同事總結說，應該在地球上建立一個原型，用來研究各種細節和設計的元件。他們特別建議對靜電鏡面箔的效能、溫室內的生命週期、充氣箔的材料效能和/或透明箔進行調查。

這些和其他設計研究是歐洲航天局月球探索長期願景的一部分。與美國國家航空航天局、其他太空機構和商業夥伴一道，歐洲航天局希望建立基礎設施，使人類能夠在月球上持續存在。特別是，他們表達了建立國際月球村的願望，在月球引力下，多個國家的宇航員可以一起工作，進行科學操作。2015年，時任ESA總幹事

揚·沃爾納（

Jan Wrner）首次宣佈了這一想法，他在接受採訪時描述了這一想法：

“我的意圖是在月球上建立一個永久性的基站。這意味著它是一個開放的車站，面向不同的成員國，面向全球不同的國家。”

上圖：棲息地聚集在月球隕石坑的邊緣，被稱為月球村。

2016年，他在瑞士盧塞恩舉行的2016年部長級理事會會議（CM16）上發表了題為“全球合作和空間4。0的願景”的演講，進一步描述了這一概念。他說：

“我們今天在空間活動中看到的正規化轉變，用‘空間4。0’這個詞來概括是最好的概括，而‘月球村’的概念試圖將這種正規化轉變轉化為一系列具體行動，並創造一個國際合作和空間商業化都能蓬勃發展的環境。

月球村的概念是經過全面分析的，但重要的是要明白，我們所描述的既不是一個專案，也不是一個計劃。我們所說的“月球村”並不是指圍繞房屋、一些商店和社群中心規劃的開發專案。更確切地說，“村莊”這個詞在這裡指的是：群體在沒有首先理清每一個細節的情況下聯合起來建立的社群，而只是為了分享利益和能力而聚集在一起。”

這個“村莊”是充氣月球棲息地等提案將幫助實現的目標。 透過使用預製、易於部署的結構在月球上建立臨時人類存在，宇航員和機器人工人可以監督永久性月球基地的建立。 這將使月球探索和研究的新時代建立在國際合作、互助，以及政府和工業界之間有利可圖的夥伴關係之上。

想要了解更多細節，可以訪問 Pneumocell 的網站，瞭解有關充氣月球基地和其他概念的更多資訊、圖片和影片。

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