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月球开发的工程问题

  月球重力小,没有空气阻力,移动需要消耗的能量很少。可以像地球上的游牧部落一样,在一个地方工作几天,然后追着太阳走一两天,跟传说中的夸父追日一样。

  和大多数人以为的不同,太空时代并没有那么遥不可及,太空开发也没有那么困难。我们已经积累了很多的知识和技术,而更多的知识和技术需要在进一步的实践中获取。

  作为太空移民的第一步,月球的工业化应该在本世纪前半叶规模化。我们来看看月球开发工程的一些特点。

  月球表面没有空气,宇宙辐射严重,还有小流星的伤害,所以城市应该建在地表以下,或者建一个很厚的穹顶。

  对于住人的城市,需要一个大气压左右的空气。根据月壤密度和重力加速度,可以算出,穹顶的厚度必须超过20米。如果下面也有支撑,不一定非要做成穹顶。由于月球的重力小,对支撑强度的要求只有地球的六分之一,支撑之间的距离可以很大,即地下空间可以很空旷。

  在月球上建设城市使用的材料,当然应该全部利用本地资源,也就是月球的土壤、岩石等。如果需要大量使用金属材料,应该直接从月球土壤冶炼。

  月球表面土壤固结性很差,需要固结才能变成建筑结构材料。月球表面水非常少,不可能利用水合作用作为固结方案。简单的方法是直接烧结。由于月球表面是真空,阳光非常好,能量密度高,而且没有空气对流,散热差,所以可以直接利用反光板聚焦,将月球土壤熔化固结。熔化的土壤也可以作为黏合剂,切割大块岩石黏合。

  切割可以用激光。月球表面太阳能发电效率很高,激光只需要电,没有别的材料消耗。月球表面也没有空气耗散激光,激光器可以远距离工作,切割或加工大范围的材料。

  月球重力小,没有空气干扰,可以树立大面积的轻薄反光板,快速熔化月球土壤,固结土地,平整地面。也可以用模具或3D打印制作建筑构件。熔化后的月球土壤岩浆,可以用耐高温金属管道抽送到任何一个地方铸造或3D打印各种结构。既可筑路,也可以盖房子。

  在月球的城市建设中,一定会用到大量的金属材料。这就需要一种便宜的大规模冶金方案。最简单的方式是电解,对原材料几乎没有什么要求。因为阳光资源特别丰富,我们可以认为月球表面电力供应充沛。月球土壤的构成主要是各种金属氧化物,熔化以后电解,直接得到金属和氧气。开始的时候,氧气只能作为废物排放掉,也可以收集起来,埋在地底,供以后城市生活使用。由于月球表面是真空,没有水分氧气等侵蚀,所有金属都可以直接使用,包括在地球上无法直接使用的钙、镁等。利用太阳能需要大量使用的硅,也可以电解得到,而且月球上表面的真空条件更适合硅单晶生产。用硅、镁、铝、钙等就可以制作大量太阳能板,保障充足的电能供应。

  有了充足的电力、金属材料、建筑材料,就可以大规模建设地下城市了。无论是采用穹顶,还是隧道,在月球上施工都比地球上简单得多。因为大件材料运输容易得多,丰富的熔融岩浆是万能材料。在城市建成投入运营之前,完全没有空气污染、噪音污染的问题。由于没有地下水,隧道掘进没有地球上施工最讨厌的透水问题,废渣搬运也容易,也可以直接熔化成岩浆使用。重力小,对支护的要求低,石头下落都很慢,没有破坏性。熔化的岩浆也可以直接涂在隧道表面作为支护。最大的问题是散热,可以使用热管将热量带到外面去。

  由于城市建在地下,对地表温度光照变化不敏感,只需要考虑能源供应问题。但由于地表的太阳能电站在夜间无法工作。解决办法有:

  4.月球轨道倾角很小,几乎没有季节变化,极地有几个地方常年都能被太阳照射到,不需要考虑昼夜变化。在开始的时候,各种基础设施还不完善的条件下,这些地区应该作为优先移民地点。这里不仅太阳永不落山,还有水,与地球的通信也不会因昼夜变化中断。

  5.月球自转很慢,速度最大的赤道位置也只有4.6米每秒(16公里每小时),只有地球的百分之一强。如果只是月面空间站,不太大,由于月球重力很小,完全可以让整个空间站平行纬度方向跟随太阳运动,永远都呆在白天,以保证能源供应和合适的温度。与地球的通信,可能需要中继。为了保证移动的速度,可能需要修好路或者轨道。月球白天的时间非常长,有半个月,所以速度不均匀,或者稍微拖后几天都没有关系,只要赶上就行。如果移动能力稍微大一点,比如达到30公里每小时,就可以在月球表面非常自由地移动。月球重力小,没有空气阻力,移动需要消耗的能量很少。可以像地球上的游牧部落一样,在一个地方工作几天,然后追着太阳走一两天,跟传说中的夸父追日一样。

  电解月壤得到的硅是太阳能发电板和变压换流器晶闸管的主要原料,用量很大,资源量也很大。钛可以用来做结构材料。钛的性能很好,在线D打印或者铸造做成各种关键结构材料。

  由于缺乏碳,铁的性能不好,可以做成太阳能板背后的散热鳍片,也可以跟别的元素一起做成各种合金。

  由于月球上没有风雨,地面干燥不导电。铝制高压输电线可以直接铺在地上,连绝缘都不需要,因为没有动物过来触碰导线,人活动的时候也是穿了宇航服的。只需要注意电线之间的距离。因为没有空气,没有水分,干燥的月壤很难击穿,电线之间的距离都不需要很大。可以适当掩埋,但是并不重要。一定要绝缘的话,可以采用月壤熔融后涂敷。月球上没有软性的材料,也容易被太阳晒坏。由于没有风雨,也不悬挂,因此对导线没有柔性需求。

  裸露的输电网络不会影响以后月球车辆等的活动。有输电线的地方肯定会标记在电子地图上,也很容易直接探测。由于月球重力小,压一两次也没有关系。

  由于没有风雨侵蚀,太阳能板硅单晶或者多晶表面不需要保护,可以直接裸露,发电效率更高,也更便于散热。

  月球上的电力系统比地球上成本低很多,自动化以后,可以提供极强的能源生产能力,为月球开发和太空探索提供充足的电力。

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