原标题:瑞士科学家设计出未来火星自我维持研究基地

  末来航天活动的参加者

新闻背景

  【环球网科技综合报道】据英国《每日邮报》9月10日报道,在一项新的研究中,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家们设计了一个火星的自我维持研究基地,可以支持多年的载人任务。

  虽然人类踏入太空已有30多个年头,航天员仍然是一种稀有的职业,能进入太空飞行的人实在是太少太少了。

最近,美国航空航天局宣布将在10年内建立一座有人月球基地;俄罗斯也宣布计划于2031年首次载人登月,然后着手打造月球基地。我国已在今年透露,将发射嫦娥8号进行科学探测和试验,以验证建立月球科研基地的可行性。由此表明,人类将在不久的未来掀起打造月球基地的高潮。

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  今天的宇宙飞船和航天站乘员除指令长外,包含飞行工程师、医生和通常精通几门科学与技术的研究工程师。这是由于飞船现今有限条件决定的。随着空间技术的蓬勃兴起,人类终将把生产实践和科学实验的范围扩大到地球外层空间。人类在认识自然和改造自然的历史进程中,将达到一个新的台阶。在地球近地空间会出现庞大、永久性、多舱结构的航天复合体,执行大范围的工作,其中有利用空间特殊环境与资源加工生产某些产品的宇宙或太空工厂、太阳能电站、大气外天文台、空间导航站等。那时,就有必要用能操作这些复杂设备的高素质专家来构成航天乘员组。这样,航天乘员组必须由飞行工程师和上述专家共同组成。他们操纵设备、进行维护修理并在飞行中控制这些设备。

为何建造月球基地

此项研究的多步骤计划包括将机器人送到火星建造基地,收集利用红色星球的自然资源,并最终派遣航天员在那里生活至少9个月。与其他之前已经提出的理论一样,EPFL的科学家们认为,人类最有可能在火星北极成功建立基地,因为火星的两极含有重要的自然资源,适合维持人类生命。他们设想研究基地在未来可以支持人类殖民,这也将在未来几代人中得到发展。

  除乘员组外,还有一个研究集体,包括地质学家、海洋学家、气象学家、生态学家、垦荒专家、冰河学家、天文学家。他们是进行空间科学研究的专业人员。

所谓月球基地,就是在月球上建立可供人类长期居住、生活及开展各种技术试验、科学研究和资源开发等的各种基础设施。

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  另外,有必要为上述两类人员提供每天的服务。服务人员应包括厨师、装配工、暖房菜园工等,还应有医疗服务人员。因此,看来酷像一艘研究船的载人航天复合体,其人员组成包括三部分:第一是乘务组人员;第二是科学研究集体;第三是后勤服务人员。

月球上有很多得天独厚的自然环境适合人类开发。例如,月球表面含有大量的氦3。这种在地球上很难得到的物质是核聚变反应的高效燃料,可为人类提供便宜、无毒和无放射性的能源。因此,有人称月球是21世纪的“波斯湾”。另外,月球上有上百种矿藏,其中5种地球上也没有。

据科学家称,研究基地将由三个不同的模块构成。基地的主要固定装置包括一个高12.5米,直径5米的核心铁芯。科学家们把它称为“最小生活空间”,可以容纳所有重要的材料和物品。

  在更远一些的未来,人类会进行星际旅行,那时需要人们研究和开发月球、小行星或其他天体,并把它们变成空间科学研究和太空工业中心以及用作燃料加添、维护修理、乘务员换班的中转基地。届时,就会出现一个新的职业,其中有太空导航和领航、空间救援和星际学家。今天还很难说,未来宇宙航行需要什么样的专家。但当宇宙航行成为普通和平常之事的时候,这些就成为从事这些工作的人员每天的职责了。“航天”一词,不再表示一种职业,而仅仅是一种外空活动而已。

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  未来星际旅行所需生命物质的供应

最近,美国航空航天局宣布将在10年内建立一座有人月球基地;俄罗斯也宣布计划于2031年首次载人登月,然后着手打造月球基地。我国已在今年透露,将发射嫦娥8号进行科学探测和试验,以验证建立月球科研基地的可行性。由此表明,人类将在不久的未来掀起打造月球基地的高潮。

三个活体胶囊将通过气闸连接到核心。覆盖这个空间的是一个由聚乙烯纤维和3米厚的冰层组成的穹顶,使其成为了一个假冰屋结构。

  在地球近地轨道上运行的和平号航天站,通过航天体系的帮助,由进步号货运飞船定期运送食物、水和空气。未来载人星际飞船的乘员飞离地球数百万、数千万公里时,再通过类似的运输系统进行补给,如果不是不可能,也必定是十分的困难。

为何建造月球基地

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  在空间,一个人每天消耗食物、氧气和水,总计可达10千克。如果乘员组只由3人构成,在空间生活一个月,需要消耗1吨的氧气、食物和水;如果生活一年则需12吨;如果飞往别的行星,例如飞往近邻火星探测,则需二年至三年时间,总共需消耗氧气、食物和水多达24到36吨,如果不用运输线保障供给,要带上二至三年的给养飞往其他星球也显然是不可能的。

所谓月球基地,就是在月球上建立可供人类长期居住、生活及开展各种技术试验、科学研究和资源开发等的各种基础设施。

根据研究,穹顶还代表着额外的生存空间,作为第二道屏障保护航天员免于辐射和微流星体的伤害,并且穹顶还有助于保持底座内部压力的恒定。此外,他们还设想了一个起重机系统,环绕火星运行,作为地球与火星之间的货物转运点,其对接系统与国际空间站使用的系统类似。

  此外,当飞行时间增加时,在飞船上创造一个舒适的环境,以接近人的通常需要,这个问题就变得非常的尖锐。航天理论奠基人,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在世时想到了这些问题,并认为可以通过在飞船上建立温室来解决供应问题,他当时认为这是完全可以实现的。

月球上有很多得天独厚的自然环境适合人类开发。例如,月球表面含有大量的氦3。这种在地球上很难得到的物质是核聚变反应的高效燃料,可为人类提供便宜、无毒和无放射性的能源。因此,有人称月球是21世纪的“波斯湾”。另外,月球上有上百种矿藏,其中5种地球上也没有。

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  在飞船上,他想像飞船把航天使团送到遥远行星,乘务人员会得到新鲜蔬菜、食物和维他命,排除二氧化碳,制造氧气并美化居住舱室。

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在派遣航天员到火星前,科学家将运送机器人到火星建造基地、检测可利用的自然资源。

  科学家们认为在空间建立一个类似地球的生物系统是一项真正的挑战性任务。在这样的系统中,高等和低等植物起着关键的作用。很多专家已经推荐小球藻类作为主要的氧源。这种单细胞海藻在失重状态迅速繁殖,有效地产生氧而不产生有毒物质。虽然小球藻类内含蛋白质、脂肪、碳水化合物和维他命,但它们却很难充作人的食物。有一位专家说,咀嚼单细胞藻类,得不到我们所喜欢的感觉,它有着一种讨厌的味道。

因为月球比地球稳定得多,且没有大气层和磁场,并拥有弱重力、高洁净的特殊自然条件和自然环境,所以月球可作为对其它星球开展探测和研究的平台,变成进行天体物理学研究、制备一些昂贵生物制品与特殊材料等的理想场所。

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  科学家们设想用海藻作为动物和家禽的饲料,而它们供给星际飞船的乘员以肉类、牛奶和鸡蛋。人类最好使用高等植物。当初在航天站,航天员曾进行第一批高等植物培育试验,结果令人失望,因为它们在成熟期死亡;但是后来又经过不懈努力,通过一系列试验又产生了希望。最后的结论是,在失重状态下高等植物基本上能通过生长的所有阶段,这对未来的星际旅行有着极为重要和根本的意义。

由于月球的引力只有地球的1/6,并拥有可提炼、分解成航天员呼吸所需的空气和深空飞行器所需燃料的水冰,因此它还可作为深空探测的前哨或中转站。

火星一旦产生融化现象,其南北两极被认为会产生水、氧气和氮这些维持人类生命所必需的元素。大气中的其他化学物质和土壤中的其他资源被认为是建造砖块、玻璃、塑料甚至是氢气和甲醇等燃料的最好材料。

  支持空间生物生命系统的开发工作仍在实验阶段。正在作出的努力是寻找生长植物的最有效方法,例如在人造土壤中植物生长方法。在白俄罗斯共和国,科学家已经发展了一种人造土壤,它看上去像沙,但实际上是由两种类型的专门塑料材料组成的。它充满15种从通常的肥料中提取的营养物。植物生长,要进行光照,土壤也需要浇水。

总之,月球基地可以用于月球科学研究、月球资源开采利用、科学技术试验平台、月基空间观测站和载人深空探测中转站等。简单地说,在月球上能够打造理想的科研基地、能源基地和载人深空探测跳板等。美国还曾把月球当作地球的第八大洲,准备建立军事基地。

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  使用人造土壤的实验表明,它可能有巨大的实际意义。一平方米菜园在70天可生产1千克小萝卜。与此形成对照的是一平方米人造土壤,21天可生产10千克。这些成果不仅在实验室,而且在某破冰船上试验时获得,那里配备了人造实验菜园。

美国现正计划通过国际合作方式研制名为“深空之门”的近月空间站,它将是月球基地建设的中转站,能方便支持月表基础设施建设和航天员在月表活动。

研究指出,所有的这些都将使研究基地得以进行长期的自我维持。 返回搜狐,查看更多

  科学家还研究空间失重状态下生长植物的其他方法,如溶液培养和电刺激培养。例如,美国洛克希德宇航公司在加里福尼亚州森尼韦尔实验室培育适合太空生长的蔬菜。研究人员将莴苣、胡萝卜和西红柿放进无土壤的培养基中,并在失重条件下培育起来。结果发现莴苣在含水的培养基中生长比在土壤中快2至3倍,并且发现莴苣很难与西红柿混种,只要有西红柿,莴苣便难于成活。原因可能是西红柿消耗的培养液太多,也可能是它对莴苣有毒,有待进一步试验。使科学研究人员兴奋的是用这种溶液培育的胡萝卜大获成功,长出来的胡萝卜味道鲜美,百尝不厌;但胡萝卜的形状怪异:上半部还算正常,下半部却向上弯曲,根须则像卷发一样卷绕在一起。时间将会证明,哪一种植物培养方法更有效。

准备工作十分重要

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  航天医学专家说,长时间的星际飞行的生物生命支持系统,只能适应生物特性,别无其他选择。因此,科学家根据自然界的生物链关系,安排这样的周期实验:一组生命或者它们生命活动的产品作为食物,在每一个周期内供给其他的生命。

在月球上建设规模庞大的基地是一项前所未有的宏伟创新工程,需要花费巨大的人力、物力和财力。为此,在建造月球基地之前要做大量的准备工作。例如,发射月球探测器对月球进行全面探测,目的是为建造月球基地选址;研制充当开路先锋的月球机器人等,为建立月球基地开道铺路。

  目前,科学家试图在生物生命支持系统中包括进动物王国的成员。已经考虑,鹌鹑将是第一批空间家禽场的居民,它的肉具有很高的热量。还应指出,它特别能产蛋。现在正在空间飞行中试验生物生命支持系统的不同元素,发展生产动物、植物和整个生物社会的技术。随着时间的推移,将可以回答更多的问题。然而,科学家们相信,在空间建立一个封闭的生态系统是可能的。如果今后能把这个信念变成现实,并建立起这样的生态系统,那末,到遥远的行星或天体进行星际旅行的理想将会变成真正的可能。

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  建立空间太阳能电站的前景

月球基地设想图。

  煤作为主要能源曾在工业革命中起过主要作用;而作为能源的石油是和本世纪的种种产业成就联系在一起的。可是,随着世界经济的发展,电力消耗日益增快,能源不足的矛盾相当突出。另一方面,更进一步和过分使用煤和石油还可能导致地球自然环境的破环;更大规模发展核电站又担心会构成对人类生命安全的威胁。于是很多科学家不约而同地想到了用太阳能。

建造月球基地首先要全面而深入地了解月球。至今,虽然全球已发射了130多个月球探测器,使人类掌握了不少月球的资料,但要建设月球基地,仅靠这些资料仍然不够。例如月球的两极地区,特别是月球的背面就了解得不多。水是基地选址的重要条件,但根据目前的了解,只有在月球两极终年不见阳光的地方才存在丰富的水冰。所以今后还需要发射更多的探测器对月球,特别是两极地区进行探测。据悉,我国嫦娥6号将在月球南极进行采样返回;嫦娥7号也拟在月球南极着陆,完成综合探测任务;嫦娥8号可能会在月球北极着陆。

  确实,如能利用太阳能作能源,可以避免上述种种矛盾和担心。太阳能真是取之不尽,用之不竭,亿万年来无私地奉献给了宇宙,也为人类送来了光明和温暖。太阳把辐射到宇宙空间能量的大约二十亿分之一穿过15000万公里的路程投射到地球上。这能量相当于173万亿千瓦的功率,或者说约等于每秒钟把550吨原煤的能量输送给地球。但是,太阳能的散射面很宽,特别是经过地球大气层时,大部分能量被大气层反射、散射或吸收掉了。在宇宙空间,由于太阳光线不会被大气减弱,也不会被大气阻拦,可以直接受到太阳光的照射,因此在那里建造一个太阳能电站,应该是个好主意,好想法。

建设不同的月球基地,其选址的标准和要求也不同。例如,如果要建造月球资源基地,就应根据月球资源的分布情况来选址;如果拟建造科研基地,则最好选择在月球的背面,因为那里没有地球无线电波的干扰,很适合进行天文观察。

  空间太阳能电站,作为人造天体,在绕地球运行过程中,总有一部分时间被地球挡住阳光,也就是说要进入地球的阴影部份。不过,这时间并不长。如果太阳能电站的轨道选择得好,可以使时间变得很短。例如,太阳能电站若处在赤道上空35860公里的同步轨道上,它绕地球一周的时间为23小时56分4秒,与地球自转周期相同,则太阳能电站对地来说是静止的,一年中仅在春分和秋分前后45天,而且每天至多只有72分钟有被地球挡住的时候,在其余时间内,电站的大面积电池帆板可以受到太阳光的连续照射而把光转变为电。和地面相比,用同样面积的太阳能电池帆板,在同步轨道可多获6到11倍的太阳能。如果把空间太阳能电站建设在圆形日心轨道上,那就不再怕地球挡住阳光,并可获更多的太阳能。

一般来说,月球基地选址应考虑几点:一是建在与地球能方便通信的月球正面;二是建在月面比较平坦,有利于月球飞船安全着陆的地方,并要求太阳光呈一定角度照射到月面上;三是建在月面有丰富矿产资源的地方,以便开采和利用。月球基地选址还要满足两个最基本的要求:有充足的阳光和储存丰富的水冰。从目前来看,在月球的两极建基地比较好,因为在那里既地势比较平坦,有利于月球飞船的起飞和着陆,且有一些区域接近于在太阳的永久照射之下,而在太阳照不到的地方有水冰。

  怎样把太阳能电站的电能传送给空间工业用户和地球,是建设空间太阳能电站的关键问题。早在1968年,科学家就设想,在宇宙空间的太阳能电站,聚集大量阳光,利用光电转换产生直流电,并通过相应的装置将直流电变换成微波,以微波波束的形式传输到太空用户或者传输到地球上,用户接收站又将微波能量再转换成相应的电能,联人用户供电网络。由于微波能顺利通过云雾和烟等,每天向地球输电时间不受任何限制。而在空间没有重力并且真空,太阳电池帆板可以做得很大,微波器件无需严格密封,而微波电能的定向发射和接收,对环境危害较小。虽然微波的放射性也是一种污染,但和煤与石油对大气的污染,以及和核电站可能产生的放射性等类污染相比,几乎可以说是微不足道的。空间太阳能电站的优势还在于它不必使用煤、石油等不可更新的自然资源。

美国早在2009年就发射了用于月球基地选址的“月球勘测轨道器”,它是目前最先进的月球轨道器,今年还多次拍摄到了我国嫦娥4号着陆器和玉兔2号月球车。

  1987年,加拿大科学家在渥太华进行了第一次利用微波作飞行动力的微波束传送电能试验。他们用碟型天线传输微波波束。在试验中,发现在波束的聚焦、目标的跟踪方面存在一定的困难。

科研与资源的利用

  前不久,日本京都大学的科学家们又进行了类似的试验。不过,他们对加拿大的微波波束传输技术作了改进,采用相控阵天线技术。利用相控阵天线传送微波波束,聚焦精确,跟踪目标快速,利于实现计算机控制。

如果在月球上建立科研基地,就可以大规模、长时间进行月球自身科学研究、月球观测平台研究和月球科学平台研究。其中月球观测平台研究是利用月球特有的环境,将其作为一个观测宇宙和研究宇宙的理想平台。例如,月球没有大气层,重力只有地球的1/6,月震强度只有地震的亿分之一,月背没有人类活动造成的纷杂的干扰,所以很适合建造理想的天文台。另外,与建造空间望远镜相比,月基望远镜在安装、维修和跟踪等方面更容易。

  日本人试验的是一种无机载动力源,长度为1.6米的模型飞机。飞机上既无机载汽油,也无电池,而是靠接收地面的微波能量作为动力,收到的微波能量被转换成电力,驱动飞机螺浆转动,获得飞行动力。这一试验的目的,不是想研究开发一种不带燃料箱的飞机,而是试验微波传能技术,用于未来空间太阳能电站的电力传送。如果这种模型飞机传能试验进展顺利,日本的科学家在1993年把试验搬到高度为220公里的人造卫星上进行,利用相控阵天线及发射机给同时发射升空的另一颗人造卫星传送微波能量。

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  科学家们预测,不要很久,能产生动力的空间太阳能电站作为实用能源工厂,将为空间工厂提供电力,或者为轨道上的载人飞船和航天站提供能源。再进一步的发展,将会把电力送往地球。

欧洲用3D打印机建造的月球基地设想示意图。可容纳4人居住,并能避免陨石碰撞和宇宙射线辐射,以及明显的温差影响。

  据科学家分析,空间太阳能电站的最佳容量是5到10兆瓦,悬挂于地球赤道上空36000公里高度的对地静止电站的质量为5万吨至10万吨。

如果在月球上建立资源基地,则能很好地开发那里的氦3和其它丰富矿藏。

  最初步的估算表明,空间太阳能电站每产生1千瓦电量的造价会比核电站同样功率的造价高出50%至100%。比水电站高出100%至150%,比热电站高300%至500%。但是,由于使用甚高频微波辐射传输到地球,微波能量实际上不会被大气所吸收,地面接收站接收到的微波能量转变为电能供给用户,其转换效率可高达90%;更由于空间太阳能电站不消耗地球资源,因此工作约5至7年后,其利润将比热电站和核电站高。

利用月球基地,可开采月球土壤中丰富的铝、铁、硅,并直接生产成建材来建造房屋;也能采用3D打印技术就地取材建造月球村,欧洲就准备采用这种方案。这样做不仅能节省成本,还可利用月壤建造的半地下房子抵抗月球的极端温差和太阳照射。

  建造空间太阳能电站的另一个关键问题是运输。计算表明,在5年内回收这样一个电站的费用,它每千克重量的成本不应超过 150至 200美元。此外,运载火箭应有非常大的推力,一次能将500吨的有效载荷送入轨道。在这样的情况下,总计只需100至200次的发射就可以了,所有货物在3至5年内运输到位。

勘测表明,月球两极有大量水冰,开发它既能满足人在月球上的需要,还可把它分解成氧和氢,成为载人登月飞船或在月球中转的火星飞船的燃料。

  到目前为止,还没有这种大推力运载火箭能一次将500吨的有效载荷直接送入同步轨道。现有最大推力的运载火箭也只能将 100多吨的有效载荷送至地球近地空间。因此,要在3至5年内将空间太阳能电站的建设材料运送到位,还必须研制这种大推力火箭。

为了解决运输问题,降低成本,可直接在月球上建造核电站。它发出的巨大电力除能供月球基地使用外,还可通过中继卫星传送给地球人使用。另外,在月球上建核电站不用担心核泄漏等问题。

  所以,怎样大规模开发与利用空间太阳能,还处在设想阶段,还需要若干年才能实现。

也可以在月球上建太阳能基地,因为月球表面几乎没有大气,太阳辐射可以长驱直入进行高效率发电,而且很容易满足用目前的光电技术进行太阳能发电所需大片光照充足土地的要求,因为月球上有的是土地。

  科学家们相信,现在动手建立一个具有发电容量为15万千瓦的空间太阳能原型电站的计划是可行的。在这之后,就可能建造巨大的电站。随着时间推移,太空太阳能电站还应能帮助解决行星的电力供应。

建造基地具体步骤

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