第253章 登月（1/2）

李水旺新一期视频：

假如我是一名美国人，那我肯定就有这样一个疑惑:为什么自上世纪70年代后，我们就再没重返月球。几十年前，短短几年间，我们就成功完成了六次登月任务，而此后近半个世纪，美国乃至其他任何国家，都再没有將人类送上月球。与此同时，我们相关的技术已经有了翻天覆地的进步，尤其是计算机和机器人技术。火箭性能更优，金属的质量控制水平大幅提升，我们还能製造出比60年代末轻便得多、性能也更优越的设备。事实上，美国完全可以轻鬆开展新一轮的登月任务，美国国会也根本不吝於为此拨款，因为纳税人大多不会反对这项开支。欧盟、俄罗斯、中国、日本，坦率地说，几乎所有二十国集团的国家，都拥有开展登月任务所需的技术和基础设施。那为什么至今没有任何一个国家这么做呢

当然，有些人肯定怀疑我们当初根本就没登上过月球，认为整个登月事件都是偽造的。在这个修图软体和计算机图形技术普及的时代，很难说服这些人。我偶尔会听到有人说，通过望远镜就能看到阿波罗登月的遗址，但这並非事实。即便是哈勃望远镜，也没有足够的解析度看清月球表面的细节。就算它能看清，我想也无法说服那些质疑者，因为总有人会说视频信號被动了手脚。我们能从太空中看清地球上的人造物体，但月球与我们的距离，比那些观测卫星与地球的距离远了大约一千倍。凭藉我们现有的望远镜，哪怕是商用的高端望远镜，也无法看到月球上的任何人造物体。

所以很多人认同“月球骗局”的说法，我想主要是因为他们实在无法理解，为什么我们此后再也没有重返月球，其他国家也没有这么做。但现实很简单：就目前的情况而言，重返月球並没有太多实际的益处。採集更多的月球岩石样本或进行钻探取样，当然是件好事，但以这样的成本来看，这並非一项特別紧迫的任务。有很多其他更高优先级的科学研究，花费更低就能开展。就算我们要做这项研究，最终也会使用机器人，而这就失去了我们想要再次將人类送上月球的意义。採集样本说到底只是我们这么做的一个藉口，所以当有人不可避免地指出，机器人能以更低的成本、更高效地完成这项工作时，我们最终就会既不送人也不派机器人，因为我们其实並不需要更多的月球岩石样本。

我猜想，假以时日，即便技术没有进一步的发展，总会有人再次登上月球。但要让这项任务不只是一场彰显国家精神的行动，我们必须有真正的理由让人类——而非机器人——登上月球。载人火星任务之所以如此吸引人，除了它是向前迈进的一步，而非重复过去的辉煌，还有一个原因是，地球与火星之间的通信存在数分钟的延迟，而地球与月球之间的延迟只有短短几秒。因此，在月球上，我们几乎可以实时操控机器人，並不需要有自主思考能力的人类亲自在月球上监督各项操作，或是亲自出舱行走来推进相关工作。要推动月球探索的发展，我们需要一个真正站得住脚的理由，不仅是將人类送上月球，更是让人类在月球建立永久的存在，而非仅仅依靠机器人。

那我们来看看，月球拥有哪些地球所没有的东西。遗憾的是，这个清单並不长。首先，月球缺少地球拥有的两样东西：大气层和引力场。引力是太空旅行的一大阻碍，而月球的引力要小得多，大气层的情况也是如此。月球拥有而地球稀缺的东西是氦-3。说实话，地球上的氦-3储量极少，月球上的储量也不算多，但看起来比地球上要多得多。这种相对丰富的氦-3资源，引发了大量关於开採月球氦-3用於核聚变的討论。2009年有一部製作成本很低但非常优秀的电影叫《月球》，讲述的就是月球氦-3开採的故事。当然，近年来各类通俗科普刊物上也刊登了大量相关的文章。

但问题在於，我们目前还没有能將氦-3用作燃料的核聚变反应堆。去年我们探討过核聚变的影响，其潜力是巨大的：仅仅几公斤的核聚变燃料，就能產生大约十亿千瓦时的电力，价值一亿美元。诚然，往返月球的成本不菲，但也並非高得离谱，尤其是当我们在月球建立基地，只需要將开採的氦-3运回地球时。月球往返之旅的成本相对较低，因为月球的引力很小，太空飞行器很容易脱离月球，而地球的引力又能帮助太空飞行器返回，还能让太空飞行器在重返地球大气层时减速。

因此，开採氦-3绝对是我们重返月球並在月球长期驻留的一个合理理由。每年只需要运回10到20吨氦-3，就能为美国的电网供电。但话又说回来，我们目前还没有核聚变反应堆，而且我们开展的主要核聚变研究项目，使用的燃料都不是氦-3，而是氘和氚这两种氢的同位素。因为核聚变的一大难点，是克服库仑势垒——两个带正电的原子核之间的排斥力。简单来说，氦-3由两个质子和一个中子组成，而氚由一个质子和两个中子组成，氘由一个质子和一个中子组成。让两个质子相互靠近是非常困难的，同性电荷相互排斥，而氦-3的质子数是氘和氚的两倍，所以从基本原理来看，要实现氦-3的核聚变，反应堆內部需要达到的温度大约是氘氚核聚变的十倍。

氦-3和氘的核聚变反应確实是一种优质的能源，但它的实现难度远高於氘氚核聚变。而且氘和氚在地球上的储量相对丰富，核聚变终究是核聚变，只要我们能研製出任何可投入使用的核聚变反应堆，就能彻底改变世界。氦-3相比氘和氚的主要优势，在於它属於无中子核聚变，拥有诸多潜在优势，尤其是在製造紧凑型反应堆方面——这种反应堆不会占据大片城市区域，甚至有可能被安装在太空飞行器上，而不会让太空飞行器变得像航空母舰那么庞大。

儘管核聚变的潜力巨大，但它並不一定能直接应用於太空飞行器，因为反应堆的质量功率比对於太空飞行器来说至关重要。我们探討过很多种如果拥有大量电力可以採用的发射方式，比如质量加速器和发射环，但氦-3核聚变反应以及无中子核聚变反应堆，比氘氚核聚变反应堆更有希望被小型化，成为太空飞行器上实用的动力源。

但即便如此，对於从地球发射的太空飞行器来说，我们也不一定需要从月球获取氦-3作为燃料。我们之所以重点研究氘氚核聚变，是因为它是目前所有核聚变反应中最容易实现的。理想的核聚变反应堆，除了直接使用普通氢作为燃料的反应堆，就是氘氘核聚变反应堆，因为氘在地球乃至整个宇宙中都非常丰富。氘氘核聚变需要的温度比氘氚核聚变高，但远低於氦-3核聚变，而且氘氘核聚变反应堆的副產品就是氚和氦-3。如果我们需要氦-3，直接从反应堆中提取即可。而且，所有未被利用的氚会衰变成氦-3，这也是我们目前获取氦-3的主要途径。我们利用氚来提升核聚变炸弹的威力，而氚的半衰期只有十二年左右，所以我们必须从中提取出氦-3，再补充新的氚。

值得一提的是，即便氦-3无法用作核聚变燃料，它依然是一种有用的物质。如今氦-3有很多应用场景，每克的价格高达数千美元，是黄金的数百倍。按照目前的市场价格，从月球运回一吨氦-3，就能卖到数十亿美元。当然，一旦氦-3的供应量大幅增加，其价格预计会大幅下跌。目前美国的氦-3年供应量仅约8公斤。这就像我们说小行星上有上百吨铂，价值数万亿美元，以此来激发人们对小行星採矿的兴趣一样。从稀缺性的基本经济学原理来看，在我们將所有氦-3卖出之前，它的价值就会大幅缩水。

所以虽然我不想说月球上的氦-3储量被过度炒作，但我们实际上不太可能为了將其运回地球而大规模开採月球氦-3。而且月球上的氦-3储量也並非那么丰富，並非像水洼一样隨处可见，隨手就能收集起来运回地球。月球上氦-3的总体浓度约为十亿分之一到十亿分之十，在永久阴影区，浓度最高可能达到十亿分之五十。因此，如果我们想要每年获取10到20吨氦-3来为美国电网供电，每年就需要处理至少十亿吨的月球表岩屑。

但氦-3作为星际太空飞行器的燃料，確实有著很大的潜力。也就是说，月球很容易成为早期和中期星际旅行的“油田”。当然，在太阳系更深处，还有更优质的氦-3来源。但这並非月球能为我们提供帮助的唯一方式，只是最近比较受关注的一种。我们一直在寻找理由，让人类在月球大规模建立永久基地，让数十甚至数千人在基地生活工作。即便我们研製出了能使用氦-3的核聚变反应堆，氦-3开採或许也並非那个能让我们下定决心的理由，除非出於某种原因，这种反应堆成为了唯一具有商业可行性的核聚变反应堆，但这种可能性並不大。不过，无中子核聚变反应堆確实有著诸多显著优势，或许会让这种情况成为现实，但即便如此，可能性依然不大。

那还有哪些其他的理由呢再次强调，由於月球没有大气层和强引力，它是建立基地的理想之地。在月球上採矿要容易得多，在某些方面，利用太阳能供电也比在地球上更便捷。低引力让採矿和地外运输都变得轻鬆不少。月球表岩屑中富含氧、硅、铁、钙、铝和镁，含量依次递减。我们当然不会为了地球而开採这些资源，因为地球上的储量十分丰富，但隨著太空基础设施的逐步完善，这些资源对於建造空间站和太空飞行器来说至关重要。对於地外设施的建造而言，月球是比地球更好的原材料来源，因为我们无需將这些物资穿过数英里厚的大气层，也无需克服地球的强引力。

太阳能也是月球上一种相当不错的能源选择，因为月球接收到的阳光其实比地球更多——地球的大气层会吸收和反射大量来自太阳的光线。此外，太阳能在地球上的应用往往受限於昼夜交替，天空中的云层也会让光照变得非常昏暗。但月球上没有云层，而且月球的一天相当於地球上的一个月。月球的周长不到7000英里，一天的时长也不到一个月，所以即便是在昼夜分界线移动速度最快的赤道地区，其移动速度也不到每小时10英里。在地球上，只有超高速飞机才能追著日落飞行，而在月球上，一架普通的喷气式飞机就能做到，而且月球上的飞行器不受空气阻力影响，引力也很小。

因此，在月球上，我们完全可以使用太阳能驱动的机器人车辆，让它们每月绕月球一周，始终处於阳光照射之下，每月返回基地一次进行维护。我们通常会认为月球基地会採用核能供电，这当然是一种选择，也可以採用太阳能供电，在长达半个月的黑暗期依靠电池或燃料电池供电。但由於月球上没有空气阻力且引力较小，可移动基地也成为了一种可能的选择。

此外，在月球上建造高塔並非难事，因为月球上没有风，引力也同样很小，而且建筑越高，在月球的白天能接收到的光照就越多，因为地平线的遮挡会更少。如果將太阳能装置建在月球极地地区，比如沙克尔顿陨石坑，这些地方有80%甚至90%的时间都能被阳光照射到。

既然在探討月球基地时，极地地区会被频繁提及，我就再详细解释一下。我们都知道地球上的极昼现象，地球两极附近的地区会有长达数月的极昼或极夜。我们也经常提到月球的极地基地，以及那些光照时间更长的区域。月球极地地区不仅光照条件特殊，我们还预计在这些区域能找到更多的冰，极地的环形山內部也有冰存在。冰的存在至关重要，因为我们在月球上需要水。月球的极地和赤道附近，都有光照时间极长或极短的区域，但原因与地球並不相同。

在地球上，地球自转轴相对於太阳的倾斜，导致高纬度地区会在数月內始终朝向太阳，或始终背向太阳。但月球的自转轴相对於太阳几乎没有倾斜，这並非月球存在长时间光照或黑暗区域的原因。有一个概念叫做“永久光照峰”，指的是在围绕恆星旋转的天体上，某个位置可能始终或几乎始终被阳光照射。这与我们几个月前探討过的潮汐锁定行星不同，潮汐锁定的行星始终是一面朝向恆星，另一面永远处於黑暗之中。

这里还要说明一点，月球並不存在“暗面”，因为月球是被地球潮汐锁定的，而非被太阳潮汐锁定。月球的一天和一年时长相同，都是大约一个地球月。但月球上確实有一些区域有80%甚至90%的时间都能被阳光照射到，造成这种现象的原因並非自转轴倾斜或轨道运行模式，而是因为月球的体积比地球小得多，地平线也离得更近，而且月球上没有风或潮汐侵蚀环形山。

一座一英里高的山峰，在月球上会比在地球上显得更加突出，而位置越高，各个方向的地平线就越远。在地球上，如果你爬到高楼、山丘或山峰的顶端，而你的朋友留在旁边的地面上，你能看到的地平线会比他更远，所以你会比他更早看到日出，更晚看到日落，你的白天时长也会更长。我们把这个简单的现象放在山峰上看：当昼夜分界线扫过月球表面时，会先到达山峰的最高点，而当太阳落下时，山峰的最高点会最后失去光照。山峰越高，各个方向的地平线就越远，这种现象就越明显。

这种现象在月球上会更加显著，因为月球的直径远小於地球，所以一英里高的物体在月球上会显得更加突出。同理，如果你身处山谷中，日出会更晚，日落会更早；如果你身处山峰顶端，而山峰东西两侧各有一个大型山谷，这些山谷的位置原本是平坦地形下的地平线，那么你看到的日出会更早，日落会更晚。同样的道理，如果你身处月球上的一个深陨石坑中，周围是高大的陨石坑壁，那么你能接收到的光照会非常少，甚至比地球上的山谷还要少，因为月球上没有大气层，无法从其他方向散射和反射光线。

这种现象在月球极地地区会变得更加明显，因为从天体自转轴的旋转距离来看，极地地区的直径更小，而这正是遮挡光线的关键因素。大家可以看看这些位於同一经度、不同纬度的相同山峰，观察昼夜分界线扫过它们的过程，就能发现，赤道附近的山峰会更快陷入黑暗。

因此，我们对月球极地基地的兴趣由来已久，因为这些区域有光照时间极长的地点，而且这些地点往往紧邻著永久阴影区。月球极地的永久阴影区是寻找冰的绝佳位置，巧合的是，这些区域的氦-3储量也预计会更高。因此，將极地基地建在大型陨石坑內是一个不错的选择，因为基地附近既有適合安装太阳能板的最佳位置，能让太阳能板大部分时间都处於工作状態，也有能找到更多水冰的黑暗区域。

同样，由於月球引力微弱且没有风，我们可以建造非常高大但结构相对简易的塔，在塔顶安装太阳能板，进一步延长光照时间，甚至可以只在塔顶安排人员值守。即便如此，我们依然需要电池或燃料电池，但使用的时间会大幅缩短。

我们也可以通过其他方式解决光照问题，比如使用能量卫星將能量传输到基地。这些卫星主要由拋物面反光镜和姿態控制系统组成，在月球本地建造后发射非常容易，这一点我们稍后会详细探討。通过这些卫星，我们可以让某个区域始终保持明亮，也可以通过雷射或微波將能量传输到接收器。月球的体积並不大，而且地表荒凉，所以我们甚至可以直接在月球表面铺设电缆，或者建造几座太阳能塔，將能量传输到其他处於阴影中的塔。

在月球上，塔可以建得非常高，因为没有风的影响，而且微弱的引力对建筑材料的压力也更小。但建造高塔並非唯一的选择，我们还可以利用材料的抗拉强度，这就是太空电梯的基本原理。

虽然我们目前还没有能大规模生產、强度足够支撑地球太空电梯的材料，但在月球上，我们有能力建造太空电梯。月球太空电梯的设计有些特殊，它的长度必须比地球太空电梯更长，而且为了保持稳定，只能朝向两个方向。因为地球对月球轨道的影响，远大於月球对地球轨道的影响，所以第一个稳定的方向是正对著地球，第二个则是正背向地球，不过这已经足够了。

朝向地球的太空电梯，其对接埠的长度需要达到35000英里，背向地球的太空电梯，对接埠的长度则需要略超过40000英里，而地球太空电梯的长度仅为22000英里。造成这种差异的原因是，儘管月球的引力更小，但自转速度也慢得多。火星的太空电梯会更短，因为火星的一天时长与地球相近，而引力却小得多。但月球的引力非常微弱，我们並不需要使用超高强度的材料来建造太空电梯，就像在月球上能轻鬆建造高塔一样，因为没有风的阻碍，引力的影响也很小。

在月球上建造太空电梯，比在地球上容易得多，这也让月球成为了为地球周边太空產业採矿和提供燃料的更佳选择。但每一座太空电梯的末端都需要一个配重，我们通常会设想用拖入轨道的小行星，或者在月球上建造的大型对接设施来充当配重，配重可以是多个模块化的舱室或港口。幸运的是，太空电梯的顶端始终处於阳光照射之下，即便其中一座月球太空电梯暂时处於阴影中，月球另一侧的另一座也会处於阳光中，我们可以將光线从配重处反射到基地，或者將能量以光束的形式传输到基地，甚至可以將能量传输到同一半球的任何位置。

因此，两座太空电梯就足以让月球的任何区域都获得光照和能量。月球太空电梯確实是一个绝妙的想法，其附带的能量和光照优势让它更具吸引力，但从实际角度来看，地面太阳能装置搭配电池或燃料电池，或者直接建造核电站，可能是更实用的选择。

此外，儘管在月球上建造太空电梯要容易得多，但它的实用性却远不如地球太空电梯。我们之前探討过质量加速器、太空炮和发射环，在地球上使用这些设备发射飞行器的一大难题是，需要建造非常长的轨道，才能让飞行器达到脱离地球引力的速度，同时还要保证加速度足够低，不会让人类乘客受到致命伤害。而且，我们还需要將轨道隧道抽成真空，避免空气阻力，还要將太空炮的炮口延伸到大气层之外，这让整个项目的可行性大打折扣。

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