月球上的移民生活
名为SOM建筑设计事务所的公司设计了世界最高的建筑——迪拜哈利法塔，并因此闻名于世，设计这种标志性建筑也成为该公司的特色之一。该公司纽约办公室里的建筑师们手中的工作则更加惊人——为SOM的首次地外任务设计图纸。该公司正在与欧洲航天局（ESA）和麻省理工学院合作设计月球基地。
首席设计师丹尼尔•伊诺森特（Daniel Inocente）展示了原理和效果图，图中隆起的白色荚状建筑物散布在月球表面，以管状走道连接，周围围绕着机器人、太阳能电池板和宇航员，所有的一切都展露在天空中清晰可见的蓝色星球下。
最近，将人类送回月球的话题变得热门起来，自20世纪70年代阿波罗计划结束后这还是第一次。 2016年，欧洲航天局局长提出了“月球村”的概念，并有意将它描述得非常模糊，鼓励私人和公共参与者在机器人和人类 探索 月球方面相互协作。2018年，8位中国志愿者成功在“月宫一号”模拟月球基地中生活了一年，目的是测试生命保障系统。
虽然私营行业近期没有将人类送上月球的计划，但太空 探索 技术公司和蓝色起源公司的火箭确实可以大幅降低相关政府计划的成本。就在几个月之前，美国副总统迈克•彭斯承诺将在5年内再次将宇航员送上月球。
简单来说，人类要在月球上居住，专家们必须解决一些问题。比如，应对严峻的环境、利用月球自有的材料建造建筑物、掌握保障生命的技术，还需要解决我们目前根本无法解决的致命性难题——尘土。
正如房地产经纪人会告诉你的那样，寻找适宜的月球居住地，最重要的3个因素是： 位置、位置、位置。SOM认为，最适合的是月球南极附近沙克尔顿环形山边沿的一块地。
有切实证据表明，环形山的永久阴影区域部分含有远古彗星留下的水分，可以用来饮用、烹饪、洗浴、制造混凝土，还可以分解为氧气和氢气，用作火箭助推燃料。
不过，不论建在哪儿，太空建筑师和工程师们都会受到传统开拓者所不曾有过的限制。月球几乎没有空气，所以栖息地必须加以密封且受压不漏气。此外，虽然大多数太空岩石会在地球的大气层中燃尽，但月球的表面还是会持续受到微流星体的撞击，所以建筑结构必须足以承受它们的袭击。
月球上的重力大约是地球重力的1/6。这种环境下，可以建造面积较大的建筑物，但是需要增加锚固点数量，而且微弱的重力使得挖掘工作变得困难，因为向下推进时会被反弹回来。极端温度下，栖息地必须配备强大的供热和制冷系统，而且原材料要具备极强的膨胀和收缩性能。
再就是辐射。太阳源源不断地发出高速质子和电子，也就是太阳风。地球的磁场使我们免受太阳风的侵扰，但月球没有磁场，所以太阳风会全部撞击到月球表面。日冕物质抛射则更加危险。这一过程中，大量更高能量的质子和电子被抛射到太空。抛射强烈时，可能在月球表面达到几个西韦特（西韦特是辐射照射的一种度量单位），如果不返回地球接受骨髓移植，人可能因此死亡。即便这些危险可以承受，月球上的宇航员也还要忍受银河宇宙射线的持续照射，后果便是，宇航员终生都会承受患癌风险。
伊诺森特在SOM纽约办公室内讲述了公司的提案，即3D打印月球栖息地荚状建筑四周的墙体，防护致命的辐射。长期居住的话，需要3米厚的防护墙来抵御银河宇宙射线。要从地球运送几吨重的混凝土根本不现实，所以宇航员需要“就地取材”，也就是说，那儿有什么就用什么。
SOM的设想是使用月壤建造墙体，而月壤缺乏有机物，所以称之为“表岩屑”更合适。其中一种建造方法是3D打印墙体，可以在墙体竖立的地方打印一整块墙，或者打印一些砖，使之堆叠之后相互锁定。有太空建筑师提议使用机器控制的喷嘴，一层层沉淀以表岩屑为主要材料的水泥。
不过，万一水泥混合料使用的液体在墙体或砖块成形前蒸发或冻结呢？欧洲研究人员与Foster+Partners建筑设计公司共同工作，已经对粘合液和注入方式进行了 探索 ，希望能够防止这种情况发生。他们使用表岩屑模拟物打印了一块墙体，但这也意味着，承包商需要将液态粘合剂或者特种水泥粉运到月球。
SOM则更倾向于使用热熔胶等喷嘴将熔融的表岩屑挤压出来。另一种方法则是烧结，即加热表岩屑，使其接近熔点直至融化。在欧洲航天局的RegoLight项目中，研究人员将日光聚焦成一束强流束，扫过表岩屑模拟物表面，烧出一层层的砖块。这一过程非常缓慢，而且试验砖块也非常脆弱，因此许多研究人员认为，最终胜出的策略将是微波烧结，即使用微波炉或光束来粘合尘土。SOM正在密切跟进烧结研究。
对于相对低矮的栖息地，或许仅需将表岩屑堆在金属结构之上（留出维护空间）即可。另外一种比较取巧的方法是，把居住舱设在月球的熔岩管道，即熔岩曾流经的大型中空管道内。
表岩屑不仅能够用来保护建筑物，还能用来铺设发射坪和道路。美国航空航天学会（AIAA）空间建筑技术委员会主席布伦特•舍伍德（Brent Sherwood）提出了用微波炉烧制铺地砖。如果飞行器着陆的平台和车辆行驶的道路以这种砖铺就，扬起的尘土就会较少。在这种道路上，机器人行走时面临的地势问题也更容易解决。他说：“这种设想基本上就是把月球表面转化成一个像亚马逊仓库那样的可预测工作场所。”
在月球表岩屑制造的篱笆墙后面，月球栖息地的居住舱到底是什么样的呢？ SOM正在进行的设计都源自工程师过去几十年间的提议，其中大多是拱形或圆柱体结构，也有埋入式和半埋入式结构。
空建筑师和工程师普遍认为，初期的月球栖息地将类似于国际空间站（ISS）的舱室。美国罗格斯大学机械和航空工程师、《月球栖息地的建造：月球定居的工程学方法》（斯普林格出版社，2018年）的作者海姆•贝纳罗亚（Haym Benaroya）表示，与科幻效果图相比，“第一代技术可能没那么迷人”。最初的栖息地将会是某种压力容器，上覆表岩屑用于辐射防护，从某种意义上说，就是一个埋在地上的锡罐。
舍伍德曾针对波音公司的国际空间站居住舱展开工作，根据他的说法，工程师们已经知道如何架构、测试、发射和维修这种舱室。他说：“我们从空间站学到了很多东西。”
最终，我们可能会转而使用体积可以扩展的充气舱，但在这之前，我们需要了解怎样把它们整合到刚性结构中，怎样折叠才能够以恰当的方式将其展开。总部位于拉斯维加斯的毕格罗宇航公司已经许可NASA使用其专利制造充气舱，该舱于2016年装入国际空间站用于测试。目前充气舱只用于存储，但毕格罗一直在收集充气舱对温度变化、辐射和空间碎片撞击的反应数据。
在与欧洲航天局的合作中，SOM选择了介于罐状物和气球之间的一种结构。SOM建筑师设计的居住舱外形近似圆柱，高9.5米。舱体共有3层，有竖直的核心部分，供居住者上下时使用。3个可充气部分与居住舱等高，可以增加所有楼层的居住空间。底层有3个门，连接相邻舱室。
在设计哈利法塔的过程中，SOM不需要考虑尿液的再循环问题。 月球的首个生命保障系统可能会采用“开环”形式，类似于阿波罗计划，即供应氧气、食物和水，并就地处理废物。一次计算结果显示，每个人每年需要5到15吨消耗物，主要是空气、食物和水。
不过第一步很可能是国际空间站那样的物化再循环系统。空间站会收集尿液、废水和宇航员的汗液与呼吸产生的冷凝水，过滤之后转化为饮用水。利用分子筛设施（使用二氧化硅晶体和氧化铝）脱去空气中的二氧化碳，同时，通过电解水产生氧气。
NASA的下一代生命保障项目正在研究一些新的方式，但骨干技术专家莫里•安德森（Molly Anderson）表示：“我们并没有尝试发明新的化学过程。”NASA主要是想提升现有系统的效率，还希望硬件能够更轻、更可靠、更易维修。在新设备方面，NASA团队正在测试以下模型：太空服氧气罐充氧空压机、利用热量将固体废物分解为有用元素的热解系统、用于监测水体表面及内部微生物的便携式DNA测序仪。
安德森表示，至少在一个方面，月球上的生命保障不像国际空间站上那么艰难，那就是重力环境中可以淋浴和冲马桶。
月球生命保障的下一阶段是生物再生系统，在这一系统中，栖息地的生物体能够提供食物、净化空气和水、分解废物。欧洲航天局的微生态生命保障替代方案（MELiSSA）计划曾做过一个实验，实验中3只老鼠和一些藻类植物一起生活了6个月。老鼠将氧气转化成二氧化碳，藻类植物则将二氧化碳转化成氧气。
我们甚至可以利用生物建造建筑。欧洲航天局的拉克已经利用菌丝和植物物质培养出了砖块。拉克还证明，菌类可以承受类似于月球上的失重状态和辐射。这种局部生长的材料或许有潜力代替表岩屑成为建筑材料。
我们可能还需要建造一个混合系统，其中部分食物源自地球。即便科学家能够修改作物基因使之产生所有必要养分，宇航员可能还是会需要多样化的食品来保持肠道 健康 ，而且，人们也不希望每天都吃同样的东西。将植物或藻类变成食物也需要大量加工过程。安德森说：“我们把宇航员送到那儿的目的不是让他们务农。”
美国航空航天学会的舍伍德也赞同食物多样化的需求，尤其是在希望月球能够吸引太空游客的前提下。他表示：“有能力调制马提尼、制作鸡蛋卷之后，你才能运营酒店。”不过我们对低重力下的烹饪方法一无所知。
为了让人类在月球居住，SOM还需要规划好机器人劳动力。 舍伍德说：“测量、表岩屑搬运、建造、资源提取、简单的维护，人力不是做这些事情的最佳选择。”SOM希望在人类住进去之前，机器人能够搭建一个居住舱，或许还能搭建一个食品制造舱，并建造表岩屑墙体。
此外还有一个难题对人类和机器来说都是致命性的——尘土。几十亿年来，微流星体的撞击已经将月球表面碾成带有玻璃光泽的锋利尘土碎片，而月球表面缺少空气或水来磨平碎片边缘。月球的浅表表岩屑重量的10%到20%含有直径小于20微米的微粒，类似于细滑石粉。
太阳风使这些微粒带有静电，所以它们会悬浮起来，然后沾到一切物体上，而它们的体积非常小，人根本看不到。执行阿波罗计划时，宇航员在月球表面行走仅仅几个小时之后，尘土便开始在靴子底部结块，磨损航天服，刮花透镜，损坏机械，阻塞空气过滤器，刺激宇航员的眼睛和鼻子。吸入则可能致癌。
登上月球已经够艰难了，驻留在月球上则将更加不容易，但是如果工程师和建筑师能够克服这些困难，我们便会拥有一个充满各种可能性的世界。
作者：Matthew Hutson
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