熔岩管道月球农场未来粮食生产的太空基地？大胆又科学的设想

  。在人类探索宇宙的长河中，月球作为离我们最近的天然卫星，一直是科学家们研究的热点。如今，随着航天科技的快速的提升，嫦娥系列飞船不断成功登月，2030年前航天员登月的计划非常有可能实现，因此建立短期月球哨站或半永久月球基地成为了可能。但基地的建设和食物的供应问题始终是此类远征的难题之一，因此催生了这项研究。

  熔岩管道，听上去就像是科幻电影里的名词，然而它们却是真实存在的自然景观。

  月球表面宽温变、高真空、强辐射和频繁陨石的极端环境，建设月球农场的肯定要耗费不少资源、能源消耗也很大、对辐射和陨石防护能力的要求非常高，即便利用原位资源在月球表明上进行月球农场建造，其工程量也是难以负担的。

  相比月球表面，月球熔岩管道处于地底深处，有着天生的优势，厚实的月壤、月岩能够有效抵御外界辐射和陨石冲击，在熔岩管道中建立月球农场能够极大地减少建筑材料的用量。

  未经处理的月壤大多数都用在建筑表面覆土，可以维持温度、屏蔽辐射和抵抗陨石冲击。

  此外，月壤在微波、煅烧及激光束作用下会熔融成固体块材，可作为月球农场建筑材料。

  通过混凝粘结技术和月壤原位增材制造（3D打印）技术，在月球表面利用月壤原位制备建筑结构材料；Hobosyan等提出了一种利用铝（镁）–聚四氟乙烯系统通过活化铝热反应固结月球表土的新方法，以生产作为月球建筑的优质陶瓷材料。

  月球上能源主要有太阳能和核能。由于月球表面真空环境下太阳光辐射损耗极低以及月球永久光照区的存在，太阳能电池阵能为月球农场提供充足的电能。

  目前月球上太阳能发电分为3类：太阳能光伏发电系统、太阳能热动力发电系统和太阳能空间电站。

  任德鹏等已经开发出氢氧燃料电池+光伏发电装置的能源系统，用以保障月球基地的能源供给与存储。除了太阳能外，月壤中富有丰富的氦–3，它是一种非常安全的热核反应材料。

  通过搭建空间裂变核反应堆电源，利用月球上的氦–3可满足月球农场的能源需求，但是核反应堆整体设计的基本要求较大的重量，因此月面上小型反应堆的设计与应用是一种不错的选择。

  依赖飞船输送食物的成本过高，因此建立月球农场对人类在月球基地长期生活具有重大意义。

  水是生命之源，宇航员长期驻留月球生活，一定要保证液态水的持续稳定供应，那么月球上有水吗？

  美国国家航空航天局（NASA）的月球矿物学测绘仪对月球表面水冰分布进行仔细的检测，证明了水冰存在的具体特征。

  水还是重要的化学原料，可以电解产生氢气和氧气，氢气可通过压缩处理来制备氢气燃料电池和火箭燃料，氧气是宇航员生存和生命维持的必需品。

  月球极区水冰资源开发利用关键技术主要有钻取一体化技术、水蒸气冷凝与微液滴收集技术、氢氧光化学合成技术、钛铁矿（FeTiO3 ）的氢还原等。

  月球上的极端环境对植物生长提出了很高的要求，宽温变、高真空、强辐射和频繁陨石冲击都可能对植物生长造成不利影响。

  近地轨道空间的太空环境与月面环境具有一定的相似性，因此太空植物栽培系统的植物选育、环境控制和参数测量等技术方法具有借鉴意义。

  在太空栽培植物早就慢慢的开始了，早在1977年，前苏联在“礼炮6号”上让郁金香在模拟重力环境下生长；1982年，人们在“礼炮7号”上的“太空温室”中种植兰花，最终成功实现了从种子到种子的过程。

  小麦、豌豆、大豆、西葫芦等植物的栽培试验也相继在空间站开展，丰富了人类在太空环境下种植作物的经验；中国在“天宫二号”的空间实验室开展了拟南芥和水稻的植物培养实验，实现植物“从种子到种子”的全生命周期培养，这些都是令人振奋的消息。

  近几十年来，人们陆续设计了一系列的植物栽培系统，最终经过总结，科学家提出了基于WBEEP（Whole-Body Edible and Elite Plant）方法的太空理想作物改良。

  在低重力环境或微重力环境下，植物与环境间的热量和物质流通会受到不利影响，需要采取调控措施：大气环境控制上，进行强制通风；水分/养分供给上，采用营养膜技术或雾培技术。

  LED灯适合作为空间站中植物生长的光源，而在月球基地中LED灯可作为补光手段，植物主要光源为月球表面的太阳光。

  虽然月壤主要元素组成与地 球土壤相似，含有O、Si、Al、Fe、Mg、Ca等植物必需元素，但最近的研究证实其对植物生长存在离子胁迫，因此就需要对月壤进行改良处理，将改良月壤作为月球农场的作物栽培基质。

  1）缺少月球熔岩管道的勘察资料。月球熔岩管道多位于地下深处，传统地球物理探测方法很难获准确环境参数，将机器人自主探测技术应用到月球熔岩管道探测上是一种有效途径。

  2）月球原位资源利用技术大多处于试验阶段。目前月壤的建材化技术存在耗水量大、能耗高等弊端；月球表面的太阳能利用技术还要考虑到高温差和强辐射对材料的耗损；月球极区水冰的存在形式有待进一步探测，水冰收集净化技术的效率还要进一步提高；月球矿物原位利用还未考虑到低重力环境的影响。

  3）月球农场的自动化和智能化设计还处于起步阶段。月球农场要实现全过程自动化生产、智能化调控，来保证食物的最大供给和避免人力资源的浪费。

  4）基于熔岩管道的月球农场建设还处于概念阶段。将地球上天然的溶洞作为月球熔岩管道模拟场地，开展密闭受控农场研究能获取大量试验数据，为未来月球农场的建设提供理论基础。

  利用月球熔岩管道建设月球农场的设想看似遥不可及，实则蕴含着巨大的科技潜力。这不仅是对人类科技能力的挑战，也是对未来宇宙探索的展望。让我们大家一起期待这个大胆设想成为现实的那一天，让科技的力量为我们的未来探索之旅添上一抹亮色！

  参考文献：谢更新，韩娅，晏铭，等. 利用熔岩管道建设月球农场的初步构想[J].深空探测学报（中英文），2023，10（5）：512-524.