雷奕安的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/leiyian 关于未来的长远可持续发展技术方案,能源,量子力学,人工智能,等

博文

挺进月球 精选

已有 1960 次阅读 2021-4-7 04:04 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

火星情节与月球情节

在我看来,西方人热衷于登陆火星,来自与他们心里的火星情节,而不是科学结论。几百年里,在西方的通俗科普文化,和科幻作品中,火星是另一个文明世界,或者潜在威胁。奇怪的是,很多古代文明,都把火星和战争,火,联系起来,包括古罗马,希腊,巴比伦,中国。

登录火星的另一个情节,或者说思维惯性,来自于人类对地球蓝天白云,河川森林,等自然环境的依恋。其实人类,或者说智慧文明,有更强的适应性。人类当年从树林搬进山洞,从田园搬进钢筋丛林,同样有心理依恋的问题,觉得城市生活不习惯。

月球在中国古代叫太阴,重要性仅次于,或者等于太阳。阴阳的说法中,“阴”还在前面。

如果有更高层次的文明,月球就是专门为人类准备的,呵护人类,和帮助人类提升到下一级文明的阶梯。月球对地球生命的诞生和演化非常重要,它稳定了地轴的变化,让地球气候变化不至于太剧烈。它引起部分地壳运动,帮助地球化学元素循环,维持地球生态圈体量。它引起潮汐,便于早期生物登陆,并提供中间环境,便于生物走向陆地。因为潮汐等原因,滨海地区仍然是生物最繁盛,生物多样性最大的地区之一。

古代中国神话中,月球也是唯一有凡人上去,并有人间生活气息的地方。所以,无论从心理情节,还是科学结论出发,我们都应该先上月球。

太空阶梯

月球是人类进入太空时代的矿场,资源库,材料库。我们开发月球,虽然可以开展部分旅游,科研,生活空间,但是主要目的并不是为了在月球上面生活,而是充分利用这一上一层文明,或者说,造物主,恩赐给人类的太空阶梯,舒适而优雅地跨入太空时代。

太阳系的较小行星和大卫星的实际大小比较(Our Planet)。下排从左到右分别是:地球,金星,火星,木卫三,土卫六,水星,木卫四,木卫一,月球,木卫二,海卫一,冥王星

月球的大小最合适开采,重力不大不小,大了耗费能量。小了难以固定,还容易产生大量太空垃圾。如此大小的天体在太阳系只有六个,其中木星占了四个,土星一个。按说地球不够格分到一个,因为相对地球的大小,月球太大了。四个类地行星中,只有地球有一个大卫星,火星的卫星大小可以忽略,水星和金星没有卫星。

太空的建设需要大量材料,主要是各类金属,如铝,铁,钛等,在月球上最丰富。硅也很重要,因为太阳能,电子电气仪器设备,玻璃,都需要大量的硅。月球正好由这些材料构成,其中最多的是硅。在太阳系所有的大卫星中,只有月球的元素构成合适,其它大卫星主要由轻元素,即碳、氢、氧、氮等构成,至少卫星外层如此,而内层很难开采。轻元素是构成生命的主要元素,循环利用,不一定需要很大量。

月球上面的环境也特别适合采矿和冶炼,但采矿和冶炼方式将不同于地球上。月球的有利因素包括:

高真空。因此,没有空气带来的氧化,对流散热,杂质等问题,便于高温冶炼时的温度维持和高品质产品取出。

没有地质运动。没有地球上的岩石产生过程,没有大块岩石,不需要爆破,采矿容易。岩石成分相对一致,元素构成相差不大,一般不需要专门找矿。元素构成有区域差别,可以根据需要采矿。

没有水。或者说水很少。如果需要水,可以找到。少量水不影响采矿和冶炼。特别是需要在地下施工和采矿时,没有水可以避免大量问题,如塌方,渗水等。因此也便于挖很深的矿井,开采重元素更多的深层月岩(壤)。

低重力。低重力极大节省施工和运输的能量,也便于深挖洞穴,用于建设地下设施,或者采矿。采矿后产生的废气可以直接排放到月表,然后被太阳风刮到太空,不会影响月面环境。也可以采集后利用。由于主要冶炼方式是电解,产生的废气主要是氧气。氧气可以收集利用。

大温差,可以很容易产生高温和低温,便于冶炼,也便于在低温中液化保存氧气。高温可以直接聚焦太阳光产生,而所有太阳阴影部分都是很低的温度。

容易入轨。月球的环绕速度只有1.6公里每秒,非常容易入轨,进入太空。因为没有空气,可以建很低飞行的轨道站,用一个旋转的钩子(天机索)就可以把东西直接从月球表面拉入太空,或者从太空放到月球表面。也可以用一个固定在月面上天机索直接把货物甩入轨道。这意味着轨道发射几乎是零成本,与地球上同类操作是天壤之别。实际上,结合其它转运技术,从月球到太阳系任何其它目的地的运输都可以达到极低成本。人们根本不需要操心太阳系的运输问题。

能量供应充足。同样发电能力的太阳能板,发电能力是地球表面的三倍,如果在无昼夜轨道上或者永昼点附近,可以全天候不间断发电,达到地球表面发电能力的六倍以上。由于低重力和真空,发电装置和聚光集热装置可以建得很高,大大提高能量利用量。月球自转很慢,重力小,行动耗能少,采矿站和冶炼厂可以一直跟随月球运动,不需要有夜晚。

采矿

和在地球上采矿不同。地球上的矿产一般经过地质,生物,水流等原因富集。需要勘探,找到相对富集的矿产资源。构成地壳的主要成分,土壤和岩石,一般不算矿产,也没有多少价值。月球不存在上述矿产分类富集过程,但月球表面的土壤是清一色的金属和硅氧化物。从元素的丰度来看,跟在地壳中不同,除了氧之外,最多的元素是硅,其次是铝,钙,铁,镁,钛,等。

由于数据缺乏,月球上其它较少元素的丰度数据不完善。但是可以参考太阳系中的元素丰度判断。月球上,包括水星,金星这样的靠近太阳的天体缺乏轻元素,即氢,氦,氮,碳等,所以其它重元素更富集。大致可以根据以下太阳系元素丰度,对照硅的丰度,判断各元素在月球土壤中的占比会是多少。可以注意到,在地壳上非常贫乏的贵金属,如铱,锇,钌,铂,金,等,在太阳系,或者说月球上,并不稀少。硅在月球表面,占20%左右,铱,锇,铂的原子丰度大约是硅的百万分之一,质量丰度就是百万分之一(1ppm)左右,是地壳上丰度的数千到数万倍。

铱,锇,钌等金属不仅贵重,关键是它们具有优越的物理化学性能。它们都特别稳定,是很好的催化剂,特别耐磨,熔点很高,铱和锇是密度最高的金属,也是最好的高温电解阳极材料。锇的反光率极高,特别是对紫外光。这些都是太空冶炼非常需要的性质。

太阳系元素原子丰度。数据来源:DOI: 10.1007/978-3-642-10352-0_8 arXiv

月球土壤,包括岩质或金属质流星,小行星等,可以看成是上图中各种元素的氧化物(因为氧是唯一的大量氧化性元素,而氧化物都很稳定),加部分贵重不活泼金属的混合物。它们本身就是良好的通用矿产。所以月球上的采矿,就是直接挖取月球土壤。当然也会有少量陨铁,主要由铁镍等金属构成,不需要冶炼,但仍然需要提纯。换句话说,整个月球就是一块巨大的通用矿石,可以直接冶炼。

冶炼

月球是整体的通用矿藏,冶炼也是标准通用冶炼工艺。对月壤,除了直接利用,包括融化成砖,或者直接硬化成路面,以及地下结构的穹顶,拉丝做成玄武岩纤维,等之外,就是高温熔融电解(Molten Regolith Electrolysis, MRE),提取其中的各种金属和硅元素。如果有很好的资源回收手段,化学还原冶炼也是可以的,但是需要更复杂的工业配套。

月壤融化并不难,一般金属氧化物的熔点在两千摄氏度上下(二氧化硅1713°C,氧化铝2072°C,二氧化钛1843°C,氧化铁1377°C,氧化钙2613°C,氧化镁2852°C)。把月壤装进大的石墨坩埚,或者锇制坩埚,用聚光板加热,就可以达到需要的温度。不同氧化物的熔点不同,可以用来分选不同金属。分选会大大简化电解冶炼过程。当然,讨厌的是它们可能会熔融成玻璃态,无法分选。

由于月球重力小,仅用石墨(3642°C升华)就可以制作很大的坩埚。月球上没有石墨,所以开始要作为最初的设备运上去,以后可以用铱(2446 °C),锇(熔点3033°C)等贵金属。

月壤融化之后,首先不活泼,熔点高,密度又大的贵金属会自然沉积在底部,不同的氧化物如果不互溶,也会按密度分层。

月壤常见的氧化物中,氧化钙和氧化镁利用价值不高,熔点高,容易当成废渣排除。硅,铝,铁,钛,是太空开发的大宗原料,熔点较低,便于熔融电解。与在地球上电解相比,2000°C左右的温度极高,电解阳极材料是个大问题,可以用锇,铱,钌等月球本地比较丰富的贵金属。

月球平原(左)和高地(右)月壤随温度变化的高温电解金属产生量。(S. S. Schreiner,2015,MIT)

电解得到的副产品是氧气。我们希望保持月球的真空环境。开始的时候,氧气可以直接排放,并不需要担心它们会在月球表面聚集,因为月球的引力不足以约束气态的气体。需要的话,也可以收集利用。电解冶炼规模很大以后,必须收集冷却。到了那个时候,已经有了太阳系高效货物转运系统,到火星的运输成本极低,大量氧气可以送到火星,将火星改造成下一个地球。

虽然所有的月壤都是矿藏,我们仍然希望找到各种某些元素富集的区域,有针对地开采冶炼一些金属。这就需要大量钻孔勘探。月球上的钻孔勘探可以用激光实现。由于没有地下水等不利因素,激光在月球表面钻孔很容易,也可以钻得很深。然后从光谱或者γ光谱得到各种元素丰度。由于各种元素的含量都不是非常低,因而容易定量测量。勘探车可以对月球表面进行大规模普查,找到各种特殊的资源。

由于上面说到的那些原因,月球表面的采矿和冶炼效率高,成本低,无污染。再辅以相应的设备制造工厂,月球采矿,冶炼,加工,很容易形成很大的规模。为下一步太空开发源源不断地提供大量原材料和基础设备。

最佳立足点——永昼点

月球自转轴倾角只有1.5°,在两极没有地球两极的极昼极夜现象,而在两极附近比较高的一些位置,可以长期得到太阳光照射,也就是没有昼夜。这种位置叫做永昼点。

永昼点对于最初的月球空间站,无论任何用途,都是非常重要的。因为月球的夜很长,有14天。没有能源的情况下,过14天很困难。当然最好总有阳光。

现在还不确定月球上是否存在自然的永昼点,但是有几个位置一年80%以上的时间都能看到太阳。如果可以稍微移动一下位置,或者在几个点建太阳能发电站,那么可以保证持久的电力供应。也可以建高一点的人工装置,因为月球重力小,没有风雨。

同样的原因,建一个移动的采矿站和冶炼厂也不困难。月球自转慢,赤道自转速度16公里每小时,到高纬度就非常小了。这样的话,采矿和冶炼都可以跟着太阳移动,就不用考虑永昼点的问题了。当然,在基础设施还没有建好的情况下,极地附近仍然是优选位置,因为需要移动的速度小。还有一个原因,即极地温度低,阳光不直射。很多位置低的地方常年没有阳光,温度极低,能保存水冰。即使我们的采矿和冶炼都不需要水,水仍然是月球上最宝贵的资源。我们总要建殖民点,旅游设施,驻人空间站之类的。

所以,最初的月球空间站应该建在月球两极,优选北极。

马斯克的火星项目计划2024年首飞火星,如果发现困难较大,有可能改到月球上。他为火星计划准备的那些太阳能板,部署在月球上,就是一个很大的太阳能发电站了,是国际空间站发电能力的约200倍。计划到火星的运输能力,用来运输到月球,由于可以连续往返,可以轻松达到一年上万吨。国际空间站总共才四百多吨,20多年工作良好。一年上万吨的物资运输能力,足以建设冶炼厂和大量驻人服务设施了。

《大航天》顺序连写版




https://wap.sciencenet.cn/blog-268546-1280657.html

上一篇:移民火星并没有想象的那么困难,和容易
下一篇:大学生如何实现精神自立?

6 黄永义 王安良 陈有鑑 康建 张鹰 李维纲

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-8-2 06:42

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部