月亮，承載了人類千年的想象與浪漫。從嫦娥奔月的古老神話，到舉杯邀明月的詩意棲居；從伽利略第一次用望遠鏡窺見月球環形山，到1969年阿姆斯特朗在月球上邁出人類的一大步；從月球車在月面留下第一道車轍，到中國嫦娥五號帶回1731克珍貴月壤……如今，這份向往正在變成更加宏偉的藍圖：建設月球基地。2021年，中俄聯合發布國際月球科研站計劃；美國重啟阿爾忒彌斯登月計劃，宣布要重返月球并建立永久基地；歐洲、日本、印度等也紛紛加入這場新的太空競賽。

然而，一個首先擺在面前的挑戰是：如何度過月球漫長的黑夜。

長達350個小時的極寒之夜，溫度會開始瘋狂下跌：-50℃、-100℃、-150℃直到接近零下二百度。而這，就是月球基地必須面對的現實。在月球上，一個晝夜相當于地球的29.5天，白天持續約14.5天，黑夜也是14.5天。當夜幕降臨，沒有了太陽的照耀，基地的能源供應瞬間歸零。更要命的是，月球沒有大氣層，熱量會毫無阻礙地散失到宇宙空間。

若是在地球上，我們可以燒煤、燒油、燒天然氣?？稍谠虑蛏夏?？從地球運送一公斤物資到月球，成本高達數十萬人民幣。如果要靠地球供應燃料度過每個月夜，一個小型月球基地每年僅取暖費就要燒掉天文數字。

太陽能電池板？月夜里它們就是一堆廢鐵。

核電站？技術復雜，安全隱患大，而且同樣需要從地球運送核燃料。

解決的答案其實就在我們腳下，就在月球塵土里。

科學家們發現，覆蓋月球表面的月壤，這些經過數十億年隕石撞擊、宇宙射線轟擊形成的細小顆粒，它們不僅能儲存熱量，還能變成建筑材料，甚至能制造氧氣和開發水資源。這聽起來如同天方夜譚，但科學家們已經找到了將月壤變廢為寶的方法。2024年，我國的月壤磚已經搭載天舟八號飛向太空，開始接受真實宇宙環境的考驗。美國、歐洲的科研團隊也在加緊研發各種月壤利用技術。

那么，這些不起眼的月球塵土，究竟藏著什么樣的秘密？它們又是如何成為人類征服月球的關鍵？

乍一聽似乎違背常識。畢竟月壤看起來只是一堆細沙，怎么可能儲存熱量？原始的月壤確實不是好的儲熱材料。它松散多孔，熱導率只有0.01 W/(m·K)，這個量級代表熱量在其中傳遞的速度比在空氣中還慢。關鍵在于：燒結。

就像燒制陶瓷一樣，當月壤被加熱到1000-1100℃時，松散的顆粒會熔合在一起，形成致密的塊狀材料。這個過程讓月壤的熱導率提高了200倍。燒結后的月壤能夠儲存大量熱能，每公斤可儲存0.25千瓦時的熱量。

2020年，歐洲科學家通過計算機模擬發現，一個由燒結月壤制成的熱能儲存系統，在經歷150小時的太陽照射后，頂部溫度可達1000K（約727℃），而在66小時的月夜結束時，仍能保持420K（約147℃）的溫度。這個溫差足以驅動熱電發電機，為基地提供36瓦的持續電力，足夠維持關鍵設備的運轉。

但要把這個設想變成現實，還需要解決一系列技術難題。首先是如何在月球上實現大規模燒結呢?？茖W家們提出了多種方案：利用聚焦的太陽光、微波加熱，甚至激光燒結。其中最有前景的是太陽能燒結，它利用大型菲涅爾透鏡將太陽光聚焦，產生的高溫足以熔化月壤。

還值得關注的是，這個系統還可以配備保溫罩。在月夜期間，用高反射率的隔熱材料覆蓋儲熱體，可以將熱輻射損失減少50倍，這就使得系統效率大大提高。

接下來到了第二重身份，用來搭建月球暖房

如果說儲熱系統是月球基地的心臟，那么月壤磚就是它的骨骼。2024年11月，當天舟八號貨運飛船與中國空間站對接時，它帶去了一批月壤磚。華中科技大學的研究團隊發現，通過不同的制造工藝，月壤可以變成性能優異的建筑材料。采用熱壓燒結技術制造的月壤磚的抗壓強度可達500兆帕以上，而我們普通紅磚只有20兆帕，這要強上25倍，甚至超過了許多混凝土。

有了磚頭，就可以開始搭建房子了，這一步就不得不提到3D打印技術。月球車收集周圍的月壤，將月壤送入3D打印機再利用太陽能或微波將月壤熔化，最終逐層打印出墻壁、穹頂等結構。

這種方法的最大優勢是靈活性。需要一個新房間，那打印出來。設備需要防護罩，再打印出來。甚至連家具都可以用月壤打印。

接下來，可以說是月壤最神奇的地方，看它如何變出維持生命的必需品。

人類的生存一定是需要氧氣的，我們知道太空氧氣稀薄，而氧氣占月壤總質量的40%，但都以氧化物的形式存在。而月壤，本身就是優秀的催化劑。

在模擬太陽光的照射下，月壤中的鈦鐵礦、氧化鈦等成分可以催化水和二氧化碳的分解，產生氧氣。這意味著，只要有水和二氧化碳，月壤就能源源不斷地制造氧氣。更神奇的是月壤中的鈦鐵礦。當它與氫氣在高溫下反應時，會發生一個簡單卻意義重大的化學反應：

FeTiO? + H? → Fe + TiO? + H?O

簡單來說，就是用氫氣得到鈦鐵礦中的氧，生成水。根據計算，消耗1噸鈦鐵礦，可以生產0.12噸水。而月球上富含鈦鐵礦的月海玄武巖中鈦鐵礦區域面積超過600萬平方公里，總儲量高達85萬億噸，這足夠人類用上幾萬年了。

在鈦鐵礦氫還原制水的過程中，每處理1噸原料，除了0.12噸水，還會產生0.37噸金屬鐵和0.52噸二氧化鈦。這些副產品絕非廢料。鐵可以直接用于制造工具、建筑結構件和機械部件，而二氧化鈦則是制造鈦合金的原料。鈦合金在航天領域的重要性不言而喻，它們強度高、重量輕、耐腐蝕，是制造航天器的理想材料。

月壤中還含有20%的硅元素，主要存在于斜長巖中。硅是制造太陽能電池板的核心材料。月球上斜長巖的分布超過了月球表面的60% ，這意味著月球基地可以就地生產太陽能發電設備，實現能源自給自足。制造1平方米太陽能電池板大約需要400-500克硅，月壤中豐富的硅儲量完全可以滿足需求。

在月球正面的風暴洋地區，還發現了大量的稀土元素。僅這一區域的稀土元素儲量就達到225億至450億噸。稀土元素是現代電子工業的基礎，從手機到電腦，從電動汽車到風力發電機，都離不開稀土。在地球上，稀土資源的分布極不均勻，而月球上的巨大儲量為未來太空工業提供了充足的原料保障。

最值得關注的是氦-3。這種同位素在整個地球上可經濟開采的儲量僅為0.5-5噸左右，但在月球上卻有100萬至150萬噸。

它是氦元素的一種特殊形式，原子核里有兩個質子和一個中子。在地球上，氦-3極其稀有，因為地球的磁場和大氣層擋住了攜帶氦-3的太陽風。而月球沒有這層保護，數十億年來，太陽風中的氦-3粒子直接撞擊月球表面，被月壤顆粒捕獲并保存下來。

之所以前文說它值得關注，是因為它正是完美能源的關鍵。

我們知道，太陽之所以能發光發熱，是因為其內部時刻進行著核聚變反應，輕的原子核融合成重的原子核，釋放出巨大能量。而氦-3聚變不產生中子，只產生帶正電的質子。質子可以用磁場輕松控制，不會損壞設備，也沒有放射性污染。

那么100噸氦-3能產生多少能量？科學家計算，這些氦-3完全聚變產生的能量，相當于150億噸煤炭燃燒的總和，足夠滿足全球數個月乃至一年的電能需求。而月球上可是有萬倍于此的能源。

正如400年前伽利略第一次將望遠鏡對準月球，今天的我們正在用科技將想象變為現實。從神話到科學，從仰望到抵達，從探索到建設，這是人類永不停歇的好奇心和探索精神的勝利。

參考資料

人民日報《從一塊月壤磚開始，搭建月球基地（嘮“科”）》

張鵬, 劉光輝, 劉欣, 張光, 鄭海菠, 代巍, 王之, 牛冉, 薄正, 高銘. 月面原位水資源獲取技術與發展趨勢[J]. 空間科學學報, 2024, 44(2): 309-317

劉建忠,李雄耀,朱凱,許英奎,楊溢,張敬宜,雷丹泓,羅泰義,凌宗成,王功.月球原位資源利用及關鍵科學與技術問題[J].中國科學基金,2022,36(6):907-918

李志杰,果琳麗.月球原位資源利用技術研究.國際太空,2017

Fleith, Patrick, et al. "In-situ approach for thermal energy storage and thermoelectricity generation on the Moon: Modelling and simulation." Planetary and Space Science 181 (2020): 104789.

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監制丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學博士研究生

審核丨孫明軒 上海工程技術大學 教授

來源: 科普中國創作培育計劃

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