月球基地建在哪儿？洞里

　　在科幻电影中，我们经常可以看到充满现代工业质感的月球基地。比如下面这种：
　　《独行月球》电影中月球基地 图源：《独行月球》电影
　　不过月球基地真的长这样吗？未必，以后的探月者可能会住在洞里。
　　2022年底，来自中国的研究团队（重庆大学先进技术研究院院长、教育部深空探测联合研究中心常务副主任谢更新团队与北京空间机电研究所研究员果琳丽的联合研究） 提出了在月球＂火山洞＂建大型基地的想法 ，引起了高度关注。 月球的＂火山洞＂
　　月球的＂火山洞＂其实就是熔岩管。熔岩管这个概念对大家来说可能有点陌生，但它的形成原理其实比较简单。
　　当火山喷出的排山倒海的岩浆在地表流动时，岩浆外表面由于散热较快先冷却形成一定厚度的外壳，与此同时内部的高温岩浆却在继续流动，形成了中空的管道。在这个过程的持续作用下，岩浆流动时不断＂金蝉脱壳＂造就了一根长长的熔岩管。
　　流动的岩浆 图源：维基百科
　　熔岩管并不是月球的特产，它在包括地球在内的多个星球上都有发现。 地球上最大的熔岩管洞穴是位于韩国济州岛的＂万丈窟＂，它长度超过13千米，高数十米, 宽十余米，是20万至30万年前火山爆发时形成的。我国黑龙江镜泊湖火山岩区也发育有熔岩管，东北抗日联军曾将此作为地下工事抗击侵华日军。
　　韩国济州岛万丈窟熔岩管（左），镜泊湖地区火山熔岩管（右）图源：参考文献[2]
　　因为月球的引力比地球更小，岩浆在流动时更不容易坍落，所以月球熔岩管的体积往往比地球的要大。 2009年, 日本发射的月球环绕器发现了三个直径和深度都为几十米的洞穴，这些洞穴被认为是熔岩管道局部塌陷后形成的天窗。
　　月球熔岩管天窗（左），月球陨石坑（右），能看出熔岩管天窗和陨石坑差别比较大，和陨石坑相比，熔岩管天窗周围没有明显凸起，内部也没有斜坡（图源：参考文献[2]，维基百科）
　　2011年，印度的月船一号探测器探测了月溪，发现这里的熔岩管顶部宽度超过300米；2017年，美国普渡大学Blair教授的数值模拟结果显示5公里宽的月球熔岩管在一定条件下仍可以保持稳定；2020年，意大利帕多瓦大学Riccardo Pozzobon教授表示月球熔岩管长度在一定条件下可以超出40公里。
　　假设一个巨大的月球熔岩管宽度能达到5公里，长度能达到40公里，则其底部面积可以达到惊人的200平方公里，可以装下6个澳门。
　　Blair教授的数值模拟结果 图源：参考文献[3]建基地，为什么选了熔岩管？
　　了解完熔岩管的概念之后，第二个问题随之而来，为什么选择在熔岩管里建立月球基地呢？请大家试想，如果突然被送到了一个荒无人烟没有房子的地方，大家会选择去哪里过夜呢？当年人类祖先选择了能遮风挡雨的洞穴栖居，而在月球上，一个熔岩管洞穴也能起到很好的保护作用。我们来看它的五大作用。
　　1.环境相对恒温
　　目前尚没有月球熔岩管内部温度的实测资料，但对于塌陷洞穴光照区和阴影区的温度测量显示了月面和洞穴内部的温度变化(如下图)。图中显示月球表面温度处于–170 ~110 之间，温差达到了280 ；而没有光照的内部温度处于–20 ~30 之间，温差只有50 。
　　按照这个温度变化趋势，研究团队通过计算表明，当使月球基地内部的温度维持在人类能正常生产生活的20 左右时，建立在熔岩管内的相关能量消耗只有在月球表面的1/5。
　　对于塌陷洞穴光照区和阴影区的温度测量 图源：参考文献[2]
　　2.抵御宇宙射线
　　有科学家估计月球表面一天的太阳射线辐射量为2 Sv, 是人类所能承受极限的1000倍以上，会严重威胁到基地工作人员的生命安全。而岩溶管顶部的月壤能够有效抵御太阳射线，研究表明，6米厚的月壤就能将射线辐射剂量削弱到接近于零。熔岩管的埋深经常达到数十米，所以在抵御宇宙射线方面很有优势。
　　不同深度月壤对宇宙射线的削弱作用 图源：参考文献[2]
　　3.避免太阳风的侵袭
　　太阳每时每刻都在向外抛射高速带电粒子，主要是质子和电子，这种现象被称为太阳风。当太阳风抵达月球后， 会使背阳面的细小物质形成带负电的月尘并向带正电的向阳面移动。 这种现象可能在日出和日落时大规模发生，对人体和仪器都会产生非常不利的影响。《流浪地球2》中，人类好不容易带上月球想用来点燃逐月卫星发动机的550C计算机在经历太阳风后就彻底报废了。
　　《流浪地球2》中太阳风对电子仪器的破坏 图源：《流浪地球2》电影
　　而熔岩管内部为永久阴影区, 不会有月尘受太阳风影响向这里袭来。 不仅如此，熔岩管的天窗还是监测月尘运移的好地方。
　　4.防止陨石撞击
　　陨石撞击对月球基地的威胁很大，有研究表明，宇航服和1厘米厚度的铝板暴露在月球表面一年, 被粒子击穿的概率分别为8%和30%，而熔岩管顶部的月壤和月岩可以把绝大多数陨石拦截于月表。
　　《独行月球》中＂宇宙之锤＂碎片冲击月球基地（陨石多是天体碎片） 图源：《独行月球》电影
　　5.可能赋存水冰
　　虽然月表经常呈现出的是一片荒原的景象，但探测发现月球上是有水冰的，可能是太阳风中氢离子和月球表面含氧物质反应形成的，彗星撞击带入的或者是岩浆活动携带的。
　　2023年，科学家分析嫦娥5号收集的数据后在《nature geoscience》发表文章称月球表面含水量可能高达2700亿吨。由于熔岩管内为永久阴影区，温度很低，而且地势低洼，有可能收集月球上的水冰。而一旦真的能够发现大量水冰，将为月球基地的建设带来极大的方便，为人类在月球的生产生活提供充分保障。
　　科学家在月球卡比厄斯环形山发现了水冰（Cabeus，左上方） 图源：维基百科建造月球基地？先在地球溶洞做实验
　　由于人类目前缺乏在月球熔岩管内建设基地的条件和经验， 研究团队独辟蹊径，提出用重庆喀斯特溶洞模拟月球熔岩管，在里面开展实验进行工程建设。
　　虽然喀斯特溶洞和熔岩管的形成机理不太一样，前者一般是地下水侵蚀碳酸盐岩形成的，可以理解为地下水在日复一日年复一年的努力下，终于在岩体中溶解出了一个洞；而后者如前所述，是火热岩浆在流动时外层冷却形成的。但二者结构上形态很相似，都是弯曲的半圆形洞穴；环境上都具有相对恒定的温度；而且都是比较封闭的空间。所以在喀斯特溶洞中进行实验模拟是值得尝试的。
　　重庆的喀斯特溶洞 图片来源：参考文献[1]
　　研究团队准备从三个方面开展实验。
　　第一，考虑到把大量人力物力送到月球上不太现实，能不能只送上去几个机器人，它们就能自动地利用月壤月岩建设月球基地，于是要开展智能建造技术和原位资源利用技术的实验。
　　第二，考虑到月球上没有空气，能不能在封闭的月球基地中引入合适的动物、植物和微生物，搭建一个稳定的生态系统，让人类在基地中能像在地球上一样自由呼吸新鲜空气，所以也需要开展人工生态系统实验。
　　第三，考虑到基地运行需要源源不断的能量供应，如果从地球往月球送那显然成本过高，能不能充分发掘月球上的太阳能等能源，所以还需要在溶洞内尝试建立一套能源自动控制系统。
　　喀斯特溶洞模拟平台 （图片来源：参考文献[1]）科幻还是现实？相信未来吧
　　不过设想虽然很美好，但实际执行中确实会碰到很多困难和挑战。比如因为还没有探测器进入过熔岩管内部，目前还缺乏里面具体详细的资料数据；又比如大规模封闭生态系统实验还没有成功的案例，九十年代轰轰烈烈的＂生物圈2号＂实验最终也以失败告终；再比如智能建造技术的发展也没有那么成熟，目前还无法自动建造大型复杂的工程体系。
　　熔岩管探测车原理样机 图片来源：参考文献[4]
　　尽管还有许多关键技术有待突破，但人类一直在努力 ，比如美国计划2025 年让探测器进入月球熔岩管开展相关实验，世界各地对生态系统和智能建造的探索也在如火如荼地进行。
　　一旦熔岩管里的大型月球基地得以成功落地，那就意味着大规模可持续的月球开发计划将有可能持续进行：月球上丰富的资源有机会为人类所用，地月旅行或许也能进入寻常百姓家，月球也可以成为火星探测的大本营。这对人类生存发展的意义至关重大，我们可以选择相信未来。
　　参考文献：
　　[1]Ding, J., Xie, G., Guo, L., Xiong, X., Han, Y., Wang, X., 2022. Karst Cave as Terrestrial Simulation Platform to Test and Design Human Base in Lunar Lava Tube. Space: Science & Technology. https://doi.org/10.34133/2022/9875780.
　　[2]肖龙,黄俊,赵佳伟等.月面熔岩管洞穴探测的意义与初步设想[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2018,48(11):87-100.
　　[3]Blair, D.M., Chappaz, L., Sood, R., Milbury, C., Bobet, A., Melosh, H.J., Howell, K.C., Freed, A.M., 2017. The structural stability of lunar lava tubes. Icarus 282, 47–55. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2016.10.008.
　　[4]于兆玮. 面向悬崖释放的星球熔岩管探测车设计及实验研究[D].哈尔滨工业大学,2021.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.003253.
　　[5]Sauro, F., Pozzobon, R., Massironi, M., De Berardinis, P., Santagata, T., De Waele, J., 2020. Lava tubes on Earth, Moon and Mars: A review on their size and morphology revealed by comparative planetology. Earth-Science Reviews 209, 103288. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103288
　　[6]史全岐,宗秋刚,乐超,李磊.月球表面及空间环境对太阳风与地球风的响应[J].中国科学基金,2022,36(06):871-879.DOI:10.16262/j.cnki.1000-8217.20221208.006.
　　[7]陈海波. 2028年左右我国将建成月球科研站基本型.光明网[EB/OL]. 2022-11-25. https://news.gmw.cn/2022-11/25/content_36186673.htm
　　[8]Università di Bologna. ＂Lava tubes on Mars and the Moon are so wide they can host planetary bases.＂ ScienceDaily. ScienceDaily, 5 August 2020..
　　[9]月球熔岩管、月球陨石坑.维基百科.
　　[10]李晋阳.浅析美国《阿尔忒弥斯协定》中的＂安全区＂[J].国际太空,2020(12):57-60.
　　[11]Huicun He, Jianglong Ji, Yue Zhang, Sen Hu, et al. A solar wind-derived water reservoir on the Moon hosted by impact glass beads, Nature Geoscience, 2023, DOI: 10.1038/s41561-023-01159-6.
　　作者：肖易东
　　作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所