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【文/鲁超】
近年来，提出了“地月经济区”的概念。 一时间，许多人不明不白，向往星海，称赞它，讽刺地认为这是“放卫星”、“大跃进”。 我觉得不仅要仰望星空，还要多脚踏实地。 因此，我们要一步一步分析，看看是否有建设“地月经济区”的可行性。
要“太空殖民化”，把各种材料从地球上带出来“拖家带口”是不明智的。 必须考虑“当场资源利用”( ISRU )。 从这个角度考虑，方向和商机都来了。
美国航天局1989年关于月球殖民地的记述
一.水
人的生存离不开热水。 “在沙漠里，钱是没有用的，只有水是宝贵的。 ”。 与被大海覆盖的地球的70%相比，月亮是超级沙漠。
总不能带着桶去水上的月亮吧。
月亮~~~~走起路来~~~
但是，月亮上确实有水。 美国、苏联、印度的探测器和我国嫦娥一号发现了月球上有冰水的证据。 月球的南北两极，常年有“黑暗的天空”，很多是不能接触到太阳光的“永久影区”。 水只能在这些地方保存。 否则，早就被阳光加热蒸发了。
南极的水分比那个多。 所以，月球南极附近可能是殖民月球的第一站。
前进吧！ 去月球南极！
月球南极(左)和北极(右)表层分布着冰，蓝色表示冰的位置
所以，第一个商机是月球自来水公司，工作方式是从冻土中提取水。
据以往采样，“永久影区”表面冻土约含5.62.9%的水，其中夹杂有氨、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、甲醇、甲烷、乙烯等物质，附着在其他无机物质上
下图显示了热采矿过程。 用设计好的镜子和透镜把太阳光放入陨石坑的“永久影区”，让冰升华成水蒸气，两侧分别放置冷冻干燥机，使水蒸气凝结成水收集。
用镜子把阳光照射在陨石坑里的永久阴影上，把那里的水变成水蒸气取出来的想象中的热采矿技术
下一步是净化。 这并不难。 离子交换树脂的反渗透膜即可。 这个从地球上拿来，用一定的周期，定期更换就可以了。
RO膜需要带几套。 (图片来源： LG chem.) )。
在月球上，水不仅是人类生存的必要条件，还有其他奇妙的用途。 我们稍后再慢慢看吧。
二.氧气
水的问题解决后，第二个核心问题是呼吸。 我们不能总是带着氧气瓶上去啊。 那个总是变重。
月亮呼唤地球，请给我几罐这个。 地球：好啊。 要等几天？ 月亮~~~
目前在宇宙飞船中，宇航员的氧气主要来自水的电解，还有一种叫做固体燃料氧发生器( SFOG )的方法。 ——，也称为“氧蜡烛”，将氯酸钠( NaClO3)和铁粉( Fe )混合，点燃后会产生氧气。 反应式如下。
1公斤的SFOG能为每个成人提供6.5小时的氧气，明显不能提供长期的殖民生活。 在月球上，水是一种非常稀缺的资源，直接电解水是一种“浪费”。 所以，在月球上，不进行“原地资源利用”是不可靠的。
宇航员正在检查宇宙飞船的SFOG组件
月球表面的化学成分主要为石英(二氧化硅SiO2)、氧化铝( Al2O3)、氧化钙( CaO )、氧化铁( Fe2O3)、氧化镁( MgO )、氧化钛( TiO2)、氧化钠( Na2O ) 粗略估算，月面表土中的氧约占40-45%。 然而，纯化其中的氧气并不是一件容易的事。
美国拉里弗里森( Larry Friesen )在《在月球上获取氧气的过程》的文章中提到了七种获取氧气的方法，这两种方法都需要非常高的能量。
在月面表土元素分析中，氧( Oxygen )占42%
其中最成熟的方法之一是用氢气还原钛铁矿( Fe2TiO5或FeTiO3 )，反应公式如下。
FeTiO3 H2---- Fe TiO2 H2O
有个问题。 氢是从哪里来的呢？
当然是电解水：
2H2O ---- 2H2 O2
刚才不是说了水很高吗？ 你现在不吝啬吗？
你看，这是“循环经济”啊。 第一步反应已得到水，可反复循环使用，总反应公式如下。
2FeTiO3---- 2Fe 2TiO2 O2
钛铁矿，月球上铁和钛的资源丰富
钛铁矿能捕获太阳风中的质子(氢)，在其加工过程中还会产生氢这一月球宝贵的资源，因此在上述制氧过程中产生额外的水和氢是有益的。
太阳风给月球带来氢资源和氦资源
“月球殖民地”初具规模时，可以带一些植物种子去室内培养绿植，提高氧气浓度。
园丁，开始走~~~
三.能源
从前面两点可以看出，水和氧都需要能量。 前期可以携带一些核电池，它们可以永久工作。
“不可思议号”的火星车上使用了核电池
美国宇航局的核电池已经非常成熟，在好奇心号火星探测器等方面已经得到应用。 其中使用的主要是钚238的化合物，例如二氧化钚，从钚238放射的主要是粒子，可以用一张纸阻止，所以非常安全。
核电池的中心材料：二氧化钚( PuO2)因内部放射性衰变而发红光
但是，本着“就地利用资源”( ISRU )的精神，月球的自然能源也必须优先。 在可控核聚变发展之前，月球上最便宜的当然是太阳能。
月的昼夜是月( 27-28日)循环。 首先选择要“殖民”的地方位于月球南极的陨石坑，在一些突出的地方可以永久受到太阳的照射。 在这里建设太阳能发电站是理想的。
幻想图：在陨石坑周围的突出部制作镜子反射太阳光，投影到陨石坑的永久阴影区域，照明，热水，发电
大量将太阳能电池板运到月球上，不太现实，也必须利用月球表面的材料。 月面表层土的45%是二氧化硅，根据人类目前的科技水平，不断提取其中的硅并不是难事。 在月球上建设太阳能电池工厂是第三步。 如果浪费时间，在月球上建设完整的太阳能电池阵列，就可以提供整个“月球殖民地”的能量，也可以传输到地球，提供未来的“火星殖民地”。
风险是微陨石的撞击，这是后话。
请想象中月的太阳能电池阵列
四.建筑
先别想着盖房子。 大规模搞房地产很辛苦，微型陨石也很可怕。
还是那句话：“原地资源利用”“原地资源利用”！ “原地资源利用”！ 重要的话说三遍！
在地球上，我们人类曾经“穴居”。 在月球上，也许会考虑先经历“穴居人”的阶段。
月球上有这样一个理想的地方——月熔岩管。
想象一下：宇航员探测月球熔岩管，将其作为自己的栖息地
古老的月亮也发生了火山喷发。 岩浆通过火山管道喷出。 如果熔岩流的表面变硬，内部的流动性岩浆可能会后退并返回，使管道变空，形成中空的间隙。 这就是“月亮熔岩管”( Lunar lava tube )。
现在冷却的月亮上，发现了几个熔岩管。 熔岩管有的细长，有的宽阔。 例如，2011年，美国航天局月球探测轨道飞行器( Orbiter )对马吕斯丘陵地区的熔岩管进行观测时，发现该熔岩管深36米，内部宽65米。 随后，美国重力探测器( GRAIL )发现月球上存在一公里宽的熔岩管。 这为我们未来在月球上的“穴居”生活提供了很大的空间。
想象图：将漫游车放入熔岩管内，进行探测，月球着陆器提供通信等支持
选址结束后，接下来要考虑建筑材料。
如上所述，月面表土的主要成分有硅、铝、钙，它们是理想的混凝土材料。 1985年，美国匹兹堡大学的科学家们提出了用月球表层土加工“月球混凝土”的想法。 只是，这里需要水。 月亮上的水资源真是“金贵”啊。
另外，将月面表土中丰富的二氧化硅加工成玻璃纤维，可以大幅提高建筑材料的强度，实现轻量化。
美国爱好者按照月球表土的配方制作的“月球混凝土”
但是，请注意，月亮的重力很小，只有地球的1/6。 这一点有好有坏。 在地球上，许多建筑材料通过重力铸造定型，在月球上未必适用。 我们已经掌握了压铸技术，但并不是所有的材料都适用。
我想你一定已经找到了近年来发展起来的3D打印技术在月球上最好的应用场景。
证明用1.5吨重的模拟月面尘进行3D打印，使用月面表土建设月面基地的可能性
来吧，月混凝土厂和玻璃纤维厂HR招人，管理伙食。
在熔岩管中建造房子，进行基础建设，开始行动
五.作物
说到吃饭和住宿，又是一个大问题。 特别是我们中国人，生活靠在一起就好了，要吃。 从地球把新鲜食品运到月球上又是一项艰巨的工作呢。
“就地利用资源”的精神，不是让你想起了《火星救援》里的土豆种植吗？
《火星救援》的剧照
用以前恢复的月面表土进行模拟时，发现西红柿和小麦有可能在月面表土上发芽。 这是我们的希望。 西红柿面很有前途。 能不能放鸡蛋，要看之后能不能开养鸡场。
月餐厅指定食品——西红柿汤面
根据前面提到的月面表土的主要成分，可以看出无机矿物特别多，就像是干涸的盐湖。 另一方面，由于碳、氮、磷等生命所需的元素特别少，因此前期的农业工作非常有限。 要耕种更多样化的作物，就必须补碳、补氮。
具体怎么办？ 无论如何，从地球上大规模运送这些元素是极不经济的。 “肥水不流外人田！ ”。 宇航员们，请留下你们的航班。 这都是月球殖民地的宝贵财产。
“这是计划的一部分。 ”用面壁者的话说。
另一个有效的方法是用细菌改造月面表土。 这里最有前途的是蓝藻。 地球上，水、土壤、生物的体内自不必说，在冰原、盐湖、沙漠等所有恶劣的环境中也能找到痕迹。
如果将它们投入月球，就会分解月球表面表土，参与光合作用，产生固氮效果。 蓝藻可能会成为引领“月球殖民计划”的“先锋生物”。
蓝细菌( Cyanobacteria )。
总结一下，排个顺序吧：
自来水厂——制氧厂——太阳能硅厂3354建筑材料厂——种植场——餐厅——……
那么，“月球殖民地”的科技树我已经给你排好了。 你已经摩拳擦掌，想感受一下不断听到的“construction complete”吗？
通用！ 月亮上红警会来玩~~~
以上基础设施结束后，只能说我们踏上了月球。 这才是“月球殖民”的第一步。 我们还在卷起袖子努力。 还有很多未来的超级项目在等着我们。 下期再见。
参考资料：
1,《Commercial Lunar Propellant Architecture——A Collaborative Study of Lunar Propellant Production》
2、science.how stuff works.com/oxygen-made-aboard-space craft.htm
3、www.NASA.gov/feature/Goddard/2018/on-second-the-moons-water-may-be-widespread-aad
4，《Composition of the Moon's Crust》
5，《Lunar Science：A Post Apollo View》
6，《Processes for Getting Oxygen on the Moon》
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