这里是月球:微型陨石如子弹般倾泻而下,动辄数小时的月震不停地撼动着房屋。白天,气温会蹿升至华氏250度(121摄氏度)以上,到了夜晚,又会骤降至零下200度(-129摄氏度)以下。仅仅是眺望窗外就有暴露在辐射中的危险,而管道泄漏则意味着大难临头。

不过,倘若强韧地外栖息地研究所(Resilient Extra-Terrestrial Habitats Institute,简称RETHi)达成目标,太空居民就可以在这样恶劣的环境中保证自身安全。这个为期五年的研究项目由美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA)出资1,500万美元赞助,试验采用了先进的计算机模拟和物理测试,目标是探索如何在月球上建造一个能保障宇航员生活的营地。这项工作有助于了解人类如何在月球上长期生存。

在月球上生活已不再是一个学术课题。在全球组织和商业伙伴的支持下,NASA正计划在2024年将人类重新送上月球。而在接下来的10年里,NASA的目标是实现人类“在月球表面的长期存在”,并为此建立通信、发电和废物处理等基础设施。这个项目的代号是“阿尔忒弥斯基地”(Artemis Base Camp),月球营地将可以容纳四名宇航员组成的探月团队,而目标是每次在月球表面停留一到两个月。

麻省理工学院的太空探索计划创始人兼项目主任阿里尔·埃克布劳(Ariel Ekblaw)表示,这一进度比许多人想象的快得多。她预计在2030年前后,人类在月球上的第一座建筑将建造完成。

中国已计划在2030年之前建造可供人居住的月球营地。2016年,欧洲航天局(European Space Agency)总干事扬·沃尔纳(Jan Woerner)启动了“月球村”项目,这是一个跨国合作探月计划。总部设在旧金山的非营利组织开放月球基金会(Open Lunar Foundation)的联合创始人兼政策和治理主任杰西·凯特·施格勒(Jessy Kate Schingler)表示,目前已经有大约十几家私营发射公司正在为机器人登月做准备。开放月球基金会倡导以和平与合作的方式解决人类在月球上的定居问题。施格勒称,月球上可能有多达10亿吨的冰状水,可以供给数十万人在月球上生活和工作。

不过,月球营地还需要做到在无人值守时也能经受各种故障的考验、并能自行修复各种问题。“月球营地应该是智能化的,”NASA下属约翰逊航天中心的自主系统技术学科负责人朱莉娅·贝杰(Julia Badger)说,“它将能够自行处理许多问题。”

RETHi的加入,就是为了解决这些问题。作为项目研究合作者的贝杰博士预计,这个项目将为NASA的探月任务等提供信息。不仅如此,它还可以帮助建筑师和工程师更好应对未来地球居住环境日益密集、资源越发有限以及气候不断恶化的挑战。

该项目由普渡大学牵头,合作伙伴包括哈佛大学、康涅狄格大学及得克萨斯大学圣安东尼奥分校这些高校,企业合作伙伴包括柯林斯航空航天公司(Collins Aerospace)和ILC Dover,后者是一家工程薄膜和纤维制造商,其产品包括充气式太空营地。

RETHi的测试项目将会对一系列灾难场景进行研究,无论是陨石雨洞穿营地屋顶,还是长达数小时的月震给负责环境控制和生命保障系统的管道造成的冲击。“你尽可以发挥自己的想象力,设想未来会发生什么?最有可能发生什么?再尝试找出应对这些场景的最佳方法。”普渡大学机械和土木工程教授、RETHi执行董事雪莉·戴克(Shirley Dyke)说。

在月球上生活需要克服重重困难。埃克布劳博士表示,月球土壤,也就是所谓的月壤,锐利而松软。用戴克教授的话说,“像是玻璃制成的糖霜。”月壤能进入机器,磨损设备,附着在太阳能电池板上。月球上没有可供人呼吸的空气,引力也只有地球的六分之一,长时间在外停留会有被辐射的风险。月球上一个夜晚相当于地球上的大约14天,在此期间,太阳能发电会中断。

出于这个原因,有关月球营地的许多计划都围绕着“永恒之光群峰”进行的,这个充满魔幻的词语是指位于月球南极沙克尔顿环形山上几乎可以获得永恒日照的那片区域。科学家们还在月球的两极发现了冰状水,意味着它们可以被开采出来,转化为氧气和氢气,既可以供人们呼吸,也可以充当火箭燃料。

RETHi的研究重点主要集中在三大领域:第一,抗击力,也就是建造一处能抵御月球表面恶劣情况的栖息场所;第二,感知力,即通过传感器阵列检测和诊断问题;第三,机器人技术,即研发能够自主修复问题的机器。在戴克博士看来,在月球上遭遇突发事件不可避免。

这个“桌面地震系统”会模拟震动,对测试材料进行检测,展示它们在月球环境下可能的表现。

这个“桌面地震系统”会模拟震动,对测试材料进行检测,展示它们在月球环境下可能的表现。

图片来源:EVAN JENKINS FOR THE WALL STREET JOURNAL

过去一年中,上述四所高校的数十名师生一直在设计计算机模型,为各种试验物色适合的材料。

上个月,普渡大学师生开始在校园实验室对一个高1.2米、直径2.4米宽的穹顶模型和其他设备进行模拟现实场景的测试。他们使用特制的锤子和电动振动器敲击穹顶,模拟陨石撞击或其他冲击造成的破坏效果。另一些试验用到了吸热毯,用来吸收热量,模拟温度变化。

该团队还在研发能处理不同任务以及包括各种织物在内的不同材料的多功能机器人,并对月球营地所用的组件进行重新设计,以方便机器人处理。“如果某个营地出现问题,就需要派机器人去修理——尤其在无人值守期间,这时候宇航员是不会到场帮忙的。”哈佛大学机器人团队负责人贾斯汀·沃尔费尔(Justin Werfel)在一封电子邮件中写道。

按照普渡概念给出的效果图(算不上蓝图,用概念图来形容可能更为贴切)展示了一个穹顶形建筑群,其中大部分埋在月壤之中,以隔离辐射。穹顶为宇航员提供了一个遥望地球的处所。为适应月球的低重力环境,楼梯台阶的间距约为一米,室内摆放着绿植和书籍。“对任何人来说,不能自由外出会带来巨大压力。”效果图的制作者、普渡大学航空航天工程硕士Takaharu Igarashi说道。

其他一些研究则希望另辟蹊径,比如建造甜甜圈形状的环形或是锥体形营地。一个理想的建造方法是用月壤进行3D打印,这可以大大降低从地球运送原材料的费用。ICON是一家总部设在奥斯汀的初创公司,素以3D打印房屋闻名。该公司正使用模拟月球土壤进行实验室测试,以摸索出理想的打印条件。

建筑设计事务所Skidmore, Owings & Merrill已经与麻省理工学院及欧洲航天局的科学家和工程师展开合作,希望拿出一个月球营地的概念方案。根据他们的设想,营地由一系列多层建筑组成,由坚固的框架支撑,外部包裹一个可充气外壳,再用3D打印的月壤组件进行加固。这样一个营地可以容纳四个人生活,这种布局最大限度地利用内部空间,较高的层高设计利用了月球低引力的优势,不同楼层可以将空间分隔成不同用途。

事务所的设计合伙人科林·库普(Colin Koop)与资深设计师丹尼尔·伊诺森特(Daniel Inocente)共同领导着这个项目,库普表示,如果宇航员一次旅行需要停留数月,“设计就必须围绕他们的舒适和便利进行。”

在有关这一概念的研究报告中,欧洲航天局提出了几种可能的解决方案,包括将宇航员生活区安置在较低楼层,以保护他们不受太阳风暴和辐射的影响。报告称,类似这样的建筑“可能在未来几年内出现在月球表面”。

欧洲航天局下属人类和机器人探索理事会的战略与协调小组负责人迪迪埃·施密特(Didier Schmitt)表示,另一个办法是打造一个移动的月球基地,探月人员就生活在一个燃料电池供电的加压移动宿营车中,可以在月表行驶数百公里。“在月球上设立基地,就如同在乡下有一所房子。没有车辆,没有行动能力,你就会寸步难行。”

除了月球表面恶劣的自然环境,在月球设立基地,还面临着无数现实与政策挑战,包括依然高昂的太空发射成本,以及各国乃至个人参与者对月球领地及资源的分享问题。“摆在我们面前的问题包括资源管理、通信标准、基础设施、利益分享、甚至税收等等——从某种意义上说,这也是人类社会最基本的问题。”施格勒说。

针对月球栖息地的许多研究也能在我们的地球家园中得到应用。RETHi项目参与者、普渡大学土木工程博士赫尔塔·蒙托亚(Herta Montoya)表示,对于想要应对未来地球极端天气事件的工程师来说,月球建筑的设计有很强的借鉴意义,在这类事件中,房屋会面临多种环境侵害。他指的是近年来干旱引发的加州山火以及地震等极端事件。

“在这个项目中学到的东西,对于我们如何增强地球家园的抗击力将产生深远影响。” 雪莉·戴克教授说。