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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 一项具有挑战性的月球产业
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在未来20年，月球可能会成为一个科学和工业园区，并带动相关旅游业的发展，所有这一切能否实现，取决于进出月球的成本以及可盈利资源的集中程度。考虑到月球离地球很近，而且前景光明，未来某一天我们在月球上开个店铺是不可避免的。成本正在下降，相关数据让投机者对资源集中度更加乐观。有趣的是，由于月球引力较小，将原材料从月球经过整整25万英里运到ISS所在的近地轨道，比挣脱引力井将它们从地球发射到200英里远的近地轨道更节能。在月球或地球轨道的飞船造船厂里，可以用月球原材料建造大型宇宙飞船，其中只有质量较轻、高科技的部分来自地球。
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富裕国家的采矿作业正变得越来越自动化，由人类远程控制的机器人来完成。月球上也将如此。许多国家已经在利用遥感技术通过卫星探测月球表面，以查明哪些矿床在哪里，数量有多少。人们正在制造小型化、质量更轻的挖掘机，准备运往月球。用来提取金银和各种挥发性物质的化工厂正在小型化，以便就地加工材料。月球上的低重力意味着，在某些方面，挖掘比在地球上更简单。月球上的引力只有地球的1/6。东西更容易开采上来。支撑结构可以承受更多的重量，因为材料本身的重量（重力的作用）更轻。而且由于存在一定的重力——不同于ISS上的那种微重力环境，各种密度的矿石和矿物会像在地球上一样下沉或上升，所以不需要特殊的机器来补偿奇怪的微重力。但也有令人望而生畏的缺点，包括：钻探会因摩擦产生过多的热量，但没有空气来冷却摩擦。此外，爆炸是非常危险的，因为爆炸产生的抛射物会比在地球上飞得更快更远。
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但低重力环境的一个巨大优势是，可以用一种叫作质量驱动器的设备将原材料从月球表面抛出去。月球的逃逸速度约为2.38千米/秒，仅为地球逃逸速度［11.2千米/秒（25000英里/小时）］的1/5。这意味着你不需要将火箭从月球发射出去。你所要做的就是沿着轨道驱动一个物体，使速度达到2.38千米/秒以上，它就会离开月球表面，而不是在地平线上滚动。2.38千米/秒的速度很快，大约是子弹从枪口射出时的速度的两倍。但在月球上，由于完全没有空气阻力，这个速度可以通过磁悬浮轨道系统实现。质量驱动器就像轨道上的弹弓一样。货物可以被加速到每秒数千米，直至达 到足够的速度，然后释放。利用这种方式，月球上的工人可以将原材料装载到质量驱动器中，并将它们抛到轨道上的某个理想地点，然后有人在那里将其捕获，用来建造航天器、太阳能电池板或其他大型轨道物体。当然上面这些东西具体实施起来就没有那么容易了，但毕竟并不需要多么先进的物理或工程技术。
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开采的月球原材料，大部分将用于月球或在轨太空活动。例如，工人可以开采火箭燃料成分，如氢、氧、铝或镁，然后将它们发射或抛到轨道上的燃料站，供航天器使用。从水中提取的火箭燃料则在轨道加油站注入航天器，从而为航天器所有者节省大量费用，因为研发人员可以建造更小的航天器，不需要带上完成整个旅程需要的所有燃料。[17] 如果铀可以在月球上浓缩，我们就可以用它作为核燃料，为工厂、栖息地或核动力火箭提供动力。与地球不同的是，人们对核事故几乎不必担心，因为月球上的所有生命都将生活在由气闸保护的栖息地或其他环境中。
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之前我提到了太空讨论中出现的第22条军规——只有当太空和地球工业需要这些材料时，月球的工业化才有意义。在月球上生活和工作是可行的，尽管具有挑战性。但是，除非能从工业化中获得利润，否则就不会尝试挑战。首先，让我们研究一下氦-3（3 He），一种核聚变燃料。
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氦-3
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核聚变是恒星能量的来源。太阳将较轻的元素融合成较重的元素，主要是将氢融合成氦核，将氦融合成碳。在两个原子被挤压成一个原子的过程中，一些质量被挤压出来。而质量，按照爱因斯坦的著名方程E=mc2 ，就等于能量——大量的能量。太阳能够维持核聚变是因为其核心的高温高压，而高温高压的能量皆来自粉碎性的重力。我们人类如果要制造核聚变，投入的能量肯定比产出的要多。我们可以实现核裂变，将原子分裂，但不能实现持续的核聚变。氢很难融合，就像相互很反感一样。融合氢的同位素，即氘（2 H）和氚（3 H），要容易一些，但这会产生高速中子，难以控制，而且会使其他物质在碰撞时产生放射性。氢含有一个质子和一个电子，但没有中子；氘和氚分别含有一个和两个中子。高温、危险的中子是副产品。但氦-3（3 He）少了一个中子。把它和氘融合，最终能得到普通的氦（4 He）和一个质子，质子就是一个氢原子核。方程式为D+3 He→4 He+p+18.4MeV能量。同样的，3 He+3 He会产生4 He和两个质子以及相同数量的能量。不管怎样，质子比中子更安全，没有放射性。因此，基于氦-3的核聚变是我们能够获得的最清洁、最强大的能源。仅仅100千克的氦-3——比一个成年男性的体重稍重一点，就可以为一个城市提供一年的电力。[18] 用油试试！
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地球上氦-3含量非常少，只占大气的万亿分之几。但是月球表面厚厚的一层全是这种东西。相比之下，这种物质据估计在赤道附近的含量在十亿分之二三十之间。在月球表面几米厚的土壤里就有100多万吨，潜在的能源销售成本为每吨数十亿美元。在太阳风的作用下，氦-3已经在月球表面沉积了亿万年。地质学家哈里森·施密特曾在1972年的阿波罗17号任务中收集并分析过月球岩石。他估计在2平方千米的范围内向下挖3米，就可以开采出100千克的氦-3。在施密特看来，由于燃烧化石燃料造成的气候问题、核裂变的放射性危险以及地球上的太阳能和风能相对薄弱，氦-3是能够满足世界日益增长的能源需求的唯一燃料。施密特说，飞到月球开采氦-3要花一大笔钱，但是物超所值，因为氦-3每瓦能量的价格与煤炭相当，而且没有污染。月球表面土壤还含有钛和其他有价值的元素，所以副产品也有利可图。普通的氦（4 He）经测算在月球上的含量是百万分之几，是氦-3的1000倍，在地球上的供应却越来越短缺。所以这是另一种潜在的月球出口产品。[19]
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施密特写了一本长达335页的书，书名叫作《重返月球》（Return to the Moon ）。这本书完全基于开采氦-3这个前提，解释了采矿过程中的细节以及可以获得的利润。结果？使用氦-3进行核聚变还不成熟。而且也远不能保证月球氦-3到了地球上，这一切就会实现，因为氦-3核聚变比氘和氚聚变更难实现。所以，我们必须首先能实现这种核聚变，在我们到月球上采矿之前，先用地球的资源掌握氦-3核聚变技术。施密特认为我们已经非常接近氘和氚的核聚变技术，也就是说，输出的能量大于输入的能量。他认为这只不过是在研究上投入更多资金的问题。然而，许多核工程师表示，我们在技术上并没有那么接近。如果不掌握氦-3核聚变技术，将对重返月球的盈利能力造成重大打击。有了氦-3核聚变，月球的利润将超过所有OPEC（石油输出国组织）成员国的产值。没有这项技术，我们只能依靠月球上的水和稀土来获取利润。
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还有一个限制是，氦-3大部分位于月球赤道。由于那里剧烈的温度变化，开采比较困难。但氦-3在月球两极的聚集度较低。就像化石燃料一样，氦-3一旦被开采和使用，它就永远消失了。资源能维持多久？一代？一个世纪？对短期收益进行投资是否值得？会出现这样的商业市场吗？抑或是太阳能更具竞争力？根据投资成本和采矿效率，从月球赤道或轨道上的太阳能电池板向地球传送太阳能，或投资于其他一些清洁、可再生能源，可能在经济上更为可行。[20] 正因如此，许多科学家认为在月球上开采氦-3是一种疯狂行为。
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稀土族
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另外，月球上有稀土元素供应，这是一个潜在的高价值点。如前所述，这些元素和矿物质在地球上不一定是稀有的，只是很难从含有稀土的矿石中提取出来。这是一项令人讨厌的、污染严重的工作——太令人讨厌了，美国干脆停止开采稀土，宁愿从外国进口。截至2017年，中国开采的稀土占全球开采量的80%，约10.5万吨。澳大利亚紧随其后，为2万吨，其次是俄罗斯（3000吨）、巴西（2000吨）和印度（1500吨）。[21]
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在月球上开采稀土元素，把对环境的担忧转移到一片荒芜的月球上，许多人会认为这是更可取的做法。关键在于，对稀土的需求非常之高，一部iPhone就使用了所有17种稀土元素，所以各国要么承担环境成本，要么找到更安全的开采或回收稀土元素的方法。与氦-3不同的是，在任何国家转向月球开采稀土资源之前，稀土的价格会飙升。此外，要首先在月球上建立其他形式的采矿，这样稀土开采才能在经济上可行。
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铁和更普通的资源
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尽管氦-3和稀土可能听起来充满异国情调和前景，但月球采矿的未来可能在于铁、铝等更普通资源的开采。原因有两方面。第一方面的原因是，这些工业基础材料可以用来建造太空基础设施。除非人类开发出一种发射基础设施，能够以每磅几分钱的价格将建筑材料送入太空，否则在太空使用地球材料进行建设就失去了意义。在轨城市充满活力的太空基础设施、太阳能电池板、月球定居点、采矿、制造飞船以及太阳系探索，将主要利用月球资源（最终是小行星资源）进行。新大陆的殖民者不会从旧世界带来木材建造家园，同样，太空人类也将使用身边的资源。地球的引力井太深，无法提供太空所需要的物质。
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与我在第5章将讨论的小行星相比，月球上铝、钛和铀的储量更高。钛的存在形式是钛铁矿（FeTiO3 ），在月球上开采会产生铁和氧，这两种物质在月球上的价值都很高。处理钛铁矿极具挑战性，但可以通过太阳能烤箱或微波来完成。铀可以作为核反应堆的燃料。铝可以锻造成栖息地或太阳能电池板的支撑结构。在最原始的情况下，最初的开采可能很简单，就是挖出表层土壤，将其加热到几百度，然后收集所有挥发性气体（氢、氦、碳、氮、氟、氯）。挖掘地点可以在任何地方，不用担心会破坏生活环境，挖出来的东西也不会浪费。科罗拉多矿业学院太空资源中心（Center for Space Resources）主任安吉尔·阿布德-马德里（Angel Abbud-Madrid）说，我们已经对月球表面进行了大量的远程勘探，现在有必要向月球发射月球车和其他机器，以测试机器人提取和处理资源的重要技术。[22]
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月球表面土壤中的硅含量超过20%（按重量计）。硅可与铝以及其他元素结合使用，制造太阳能电池，用于在月球表面或月球轨道上发电，然后传送到地球。[23] 在地球轨道上放置足够多的太阳能电池板，将能量以微波的形式传送到地球上的采集器，就可以满足我们日常的家庭能源需求和许多工业需求。我们知道，太阳能电池板在太空中工作，是因为它们为大多数卫星提供动力。太空从来没有阴天。20世纪70年代，能源价格不断上涨，美国总统吉米·卡特在白宫屋顶安装了32块太阳能板来加热水，作为全国人效仿的榜样。那个时候这种在轨运行的太阳能电池板方案看起来很有吸引力。后来油价下跌，美国总统罗纳德·里根拆除了这些还可以工作的太阳能板，美国人再次加以效仿。[24] 尽管如此，在轨太阳能电池板收集的太阳能仍然是一种可靠的、可再生的清洁能源。主要的障碍是基础设施的成本，而这取决于进入太空的成本。[25] 如果 发射成本下降，月球可能会成为一个能源新兴城市。
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开采月球资源的第二方面原因是，地球上的资源非常有限。我们先把环境问题放在一边。终有一天，金属和其他工业资源会因为稀缺而变得过于昂贵，进而无法开采。这已经成为经济上的一个论点。挖得越来越深，成本也就越来越高。如果这种趋势持续下去，月球原材料的提取成本就有可能比地球上的还低。至于环境问题，毫无疑问，开采资源会对地球造成不可弥补的损害，因为开采过程中产生的化学物质会污染地下水、地表水和土壤，还会造成水土流失、形成天坑，以及不可避免的生物多样性的破坏。世界上最大的污染者也会对此做出巨大让步。这个论点实际上是，在环境破坏和经济发展之间进行权衡。许多人认为经济发展是值得的……风景曾遭破坏的发达国家的人，可以对此做出评判。
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死气沉沉的月球很有可能会成为一个实用的、巨大的露天矿坑，造福于地球生命。这种思想无疑会遭到LUCA[26] 。但人类可能会容忍对原始月球土壤的“破坏”，因为它是如此遥远，是天生的不毛之地。在地球上甚至根本就看不到月球的背面。可悲的是，地球上污染最严重的矿井也都位于偏远的人们看不见的地方，在那些贫穷的国家，雇用或奴役着童工。月球上不会有童工，也不会破坏生物多样性。此外，随着穷国变得更加富裕，它们可能会对采矿和钻探进行更加严格的限制，正如我们几十年前在美国、欧洲、日本以及最近在巴西所看到的那样。这可能会迫使我们开发月球。
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简而言之，月球上的基本物质可以帮助人类。我们可以努力的一个方向（如果可能的话，这也没什么错）就是忘记太空，减少全球人口，让有限的资源变得更加高效，努力让所有人摆脱贫困，并为所有人提供目前已在发达国家实现的技术、教育和流动性，同时不再从地球攫取更多的资源（财富）。或者我们可以将月球和其他太空资源作为新的财富来源，同时让地球更适合居住。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 月球科学
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月球科学与在南极进行的科学具有不可思议的相似性：独特的地质学/月球学和天文学。NASA列出了月球科学的181个目标。这些目标主要研究月球表面的岩石，以及在月球上观察地球、太阳和其他天体，研究月球、地球、小行星和彗星。一个大胆但可行的想法，是在月球背面，就是月球上总是背对着地球的那一面，安装大型望远镜。月球没有阴暗面，那是一个错误的概念。月球背面获得的阳光与正面相同（只有在满月的时候，当我们看到的月球正面被完全照亮时，月球的背面才是完全黑暗的）。但是，月球背面是安放射电望远镜的最佳位置，因为那里没有来自地球的干扰。我们也可以制造其他波长的望远镜。没有大气则意味着总能完美地进行天文观测，不会阻挡任何波长到达月球表面。红外 望远镜在寒冷黑暗的陨石坑中工作得更好。此外，由于重力较低，望远镜的抛物面可以做得比地球上更大，但结构仍然稳固。因此可以说，月球就是最高的山峰。
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