第 4.9 节：阶段 5A - 月球开发
月球 对任何仰望天空的人来说都是显而易见的。扩展文明的原因与其他地方相同。它们包括获取新的能源和原材料资源，以升级文明，并实现第 4.1 节 开始列出的其他目标。
但是，由于几个原因，我们并没有立即开始开发月球。首先，我们必须穿过低轨道和高轨道区域才能到达那里，然后导航月球的引力场才能到达更近的轨道或表面。这需要比轨道区域更多的能量和新的运输设备。其次，月球表面的条件与周围的轨道区域或地球周围的轨道区域不同。因此，表面设备也需要新的设计。第三，月球的开发得益于先前轨道位置的支持。因此，我们将月球开发的开始推迟到阶段 4A 和 4B 开始之后，并且该阶段所需的（研发）将在阶段 0M 中完成。月球表面大约相当于非洲和澳大利亚的总面积，因此太大，无法一次性开发。一旦开始，阶段 5A 将与之前的阶段并行进行，随着时间的推移，轨道和地表都会进行逐步升级和扩展。
我们对开发月球的概念探索从描述该地区的特征和行业调查开始，以确定可能的未来活动。动机、经济学、技术和先前在其他地方的开发将推动哪些活动能够启动以及何时启动。结合这些信息，我们可以确定一种开发方法和具体的月球项目，将它们按大致的时间顺序排列，并将它们与其他阶段和项目联系起来。在此过程中，我们确定了阶段 0M 所需的研发工作，并在该部分记录了这些工作。
月球区域包括月球本身，以及平均距离（半长轴）在月球中心 35,000 公里范围内的轨道。在这个距离上，月球的引力超过地球引力的 50%，是主要的局部力。由于地球和太阳的影响，月球轨道通常不稳定。月球还拥有过去撞击产生的质量集中区域，这些区域会产生不均匀的引力场。在这些影响最小化的特定轨道上，轨道可以稳定很长时间。否则，必须使用推进器来修正轨道，或者让轨道随着时间的推移而演变。由于月球绕地球运行，月球区域嵌套在我们星球周围更大的高轨道区域中。
如上所述，月球的水平表面积相当大，为 3793 万平方公里，约为地球陆地面积的四分之一。这并不包括来自大型地形（图 4.12-1）以及众多陨石坑和其他小型特征的倾斜暴露区域。有关更详细的版本，请参见USGS 月球地形图 3316，2015 年。
月球相对于恒星（惯性系）每 27.3 天绕地球-月球系统的中心运行一次，相对于太阳每 29.5 天运行一次，从而确定了月球日的长度。月球每运行一个轨道周期就自转一次，因此始终保持着大约相同的侧面朝向地球。这不是完全准确的，因为月球的轨道不是圆形的，它有一个轻微的剩余摆动运动，而地球的直径是月球距离的 1/30。这种尺寸允许根据你的位置，看到不同的月球景观。绕月球运行的轨道周期从靠近表面的 108 分钟到该区域上边缘的 6.8 天不等。该区域的主要环境和资源特征如下：
温度 - 月球与地球的太阳平均距离相同，因此来自太阳的太阳辐射 为 1361 W/m2，与地球相同。这种阳光在较低的月球轨道上被月球阴影部分遮挡，并且在月球表面每月循环中被遮挡 50% 或更多。月球表面没有明显的 атмосфера 来调节温度变化。暴露在太空和阳光直射下的物体在赤道的温度范围可以从 100-400K 到阴影极地陨石坑中的 30K。月球表面被真空隔开的粒子覆盖，是极好的绝缘体。预计土壤温度在 30 厘米以上的深度不会比平均值变化超过几度，尽管白天和黑夜有为期两周的间隔。赤道地区的平均土壤温度约为 240K（Vasavada 等人 2012 年），随着纬度的增加和太阳角度的降低，温度会更低。来自地表内部的热流已测得为 0.008-0.03 W/m2，具体取决于位置。地壳中放射性元素的浓度和良好的绝缘性能导致深度方向上的热梯度有些难以确定，为 10-50 K/km。
轨道温度主要取决于阳光照射时间与月球阴影时间之间的百分比，以及在给定距离上月球反射或发射的光量。从月球区域看地球大约有 2 度角，因此填充天空的面积不到 0.01%，对热量贡献很小。天空的其余部分是接近绝对零度（2.7K）的宇宙背景，可以作为有效的散热器。由于轨道可能是椭圆形的并且会随着时间的推移而发生变化，因此由此产生的热环境会发生很大的变化。轨道物体的反照率、发射率和热性能将决定从环境条件中吸收和散失的热量，以及它们将达到的平衡温度。
атмосфера 和水 - 如温度部分所述，月球的 атмосфера 几乎不存在。它的总质量不到 10 吨，相当于地球大气层在一个平方米上的质量。如果人们或设备需要加压环境，则需要在当地生产或进口气体。估计每秒约有 50 公斤的太阳风粒子以高速流过该区域。由于这分布在 38.5 亿平方公里的区域上，因此很难收集到有用的数量。估计在极地附近永久阴影的陨石坑中发现了约 6 亿吨的水冰。月球表面其余部分的矿物中含有 10-1000 ppm 的化学结合水。月球干燥和无气的状态是由于其逃逸速度低，加上早期撞击、潮汐和放射性衰变带来的长时间加热。
地面载荷 - 地面强度对于地表结构和运输而言是足够的或极好的。月球表面由各种大小的碎石和尘埃组成，这些碎石和尘埃在几厘米深的地方会压实，然后可以支撑重物。挖掘、采矿或钻探将在约 38 公里的深度达到覆盖岩层的强度极限。低于此深度的深度需要支撑结构。大多数较浅的深度包含断裂材料，也需要防治移动和坍塌的支撑。
重力水平 - 表面重力平均为 1.625 m/s2，或地球重力的 1/6，根据位置的变化，总变化为 0.0253 m/s2（图 4.12-2）。轨道上的自由落体条件不会产生有效的加速度。因此，抗重力所需的结构支撑远低于地球。长期人类健康以及动植物生长所需的重力水平尚未确定，但可能高于自然地表或自由落体水平。地表和轨道上的 人造重力可以通过旋转产生，否则停留时间可能会受到限制。旋转产生的离心力将对结构施加巨大的设计载荷。
辐射水平 - 表面和轨道上的未屏蔽辐射水平在 0.1-1 mSv/天的范围内，这可能在几年内达到宇航员的终身暴露限值。一次强大的太阳耀斑可以释放出致命的辐射量，尽管大多数耀斑要弱得多。辐射还会造成设备的长期损坏和电子故障。辐射主要来自太阳和宇宙背景。月球土壤或地下建筑物一米或更厚的覆盖层可以在月球表面提供安全的辐射水平。各种类型的散装质量可以在轨道上提供屏蔽。
通信和旅行时间 - 从地球到月球区域的往返（ping）通信时间从 2.2 秒到 2.94 秒不等，具体取决于该区域的位置以及月球在其轨道上的距离。这包括如果您与月球背面的区域进行通信，则需要卫星中继时间，这些区域无法从地球直接看到。从地球到月球的旅行时间通常为 3-4 天，采用直达转移轨道。通过电动拖船进行货物运输效率更高，但也慢得多。没有屏蔽或其他缓解措施的缓慢运输会导致人们在穿越范艾伦带时暴露在高水平的辐射中。
停留时间 - 人们的平均停留时间会影响运输需求和所需的居住类型。迄今为止，只有九次有人类前往月球地点的旅行，而且每次只持续几天。这些旅行是在近 50 年前进行的。这些数据过于稀疏且过时，无法为设计目的建立平均值。未来的项目将需要根据内部需求定义停留时间，直到长期居住建立平均值。
运输能量 - 从地球表面到达月球区域首先要到达一个高轨道，该轨道与月球的位置相交，然后进入稳定轨道或降落在月球表面。理论上，第一个步骤需要 62 MJ/kg，而进入轨道或着陆则需要高达 2.8 MJ/kg。这些是势能和动能的理想值。实际消耗的能量取决于运输方式的细节和效率。从地球的运输能量与典型产品的 10-20 MJ 嵌入能量或高能化学推进剂的 15 MJ/kg 相比，非常高。这有利于尽可能地进行本地生产。
从月球表面逃逸的速度为 2380 m/s，即地球逃逸速度的 21%。因此，逃逸能量仅为地球逃逸能量的 4.5%。低轨道速度为 1680 m/s，因此逃逸的差异为 700 m/s。该区域上边缘的轨道速度为 375 m/s，逃逸速度为另外 155 m/s。这些速度和相关的能量相对较低。从该区域进行区域内运输以及到达高轨道和内太阳系区域就比较容易了。
能源供应 - 太阳在 1 AU 处提供近乎恒定的 1361 W/m2 的能量通量。地球的轨道略微呈椭圆形，而月球的轨道使它比地球更靠近或更远离太阳。因此，月球区域的可用能量与该值有所不同。在充足的阳光下，这种能量足以每年加工大约 2 吨/m2 的原材料。使用太阳能电池板或聚光反射器收集能量可能只需要 2 kg/m2 的设备。因此，主要的能量回报率可能非常高。该区域的总太阳能流为 524 万太瓦，远远大于目前全球约 20 太瓦的能源消耗量。月球上的局部地区含有高达百万分之十的钍和铀，这可能对能源生产有用。
月球表面的大部分区域暴露在阳光下的时间不超过 50%，具体取决于当地的地形。由于太阳角度较低，较高纬度地区的单位表面积获得的阳光更少。轨道暴露在阳光下的时间超过 50%，通常随着高度的增加而增加。轨道上的黑暗期相对较短。表面上的黑暗期持续半个朔望月，即两周。由于这段时间内无法直接获得阳光，因此需要替代能源解决方案。可能的方法包括
- 停止运行 - 高功率运行可以在阳光不可用时简单地停止，并由电池等传统电源提供最低限度的支持。以下选项之一可以与减少夜间运行相结合，但不能完全停止运行。
- 热能储存 - 这利用了大量的岩石和尘埃作为储存介质，以及天然真空作为绝缘材料。材料在白天被阳光加热，并利用热量在月球夜晚发电。
- 核能 - 表面已经沐浴在高水平的自然辐射中，因此核源不像地球上那样是一个问题。各种核设计都是可能的，具有不同的功率水平，并从地球或当地来源获取燃料。
- 束缚能量 - 当月球表面没有阳光时，月球轨道接收阳光。可以使用简单的反射器、微波或激光将能量定向到表面，并根据光束目标尺寸与距离的不同而有所不同。
- 输电线 - 东西输电线可以将阳光照射区域的电力输送到黑暗区域。在赤道最糟糕的情况下，输电线必须长达 2700 公里才能提供持续供电。这是月球周长的四分之一，每个方向有一条线。这些距离非常长，只有在大型开发项目存在时才有意义。阴影陨石坑没有阳光照射，但陨石坑边缘可能会获得充足的功率水平。然后，较短的输电线或反射器可以将电力输送到需要的地方。
材料供应 - 月球轨道基本上没有原材料，因此位于那里的项目必须进口所需的材料。月球表面的地质情况相当清楚，地质。另请参阅月球与行星研究所的月球手册（1991 年）以获取更详细的信息。这些了解来自许多着陆器和轨道任务，其中一些返回了用于分析的样本，以及来自月球陨石，这些陨石在撞击后被抛到地球上。总的来说，表面成分是硅、铁、钙、铝和镁的氧化物矿物，按元素浓度排列，还有 3-4% 的其他元素。月球表面的成分并不均匀（Lawrence 等人，1998 年），其中铁、钾、磷、稀土元素和钍的浓度较高，主要分布在风暴洋区域。月球上几乎没有留下挥发性（低沸点）化合物。它在熔融状态下形成，然后经历了许多高能撞击，以及潮汐和放射性加热，这些加热使它在长时间内保持熔融状态。月球太小，无法维持大气层，因此挥发性化合物大多逃逸了。在熔融状态下，密度较大的物质沉入内部，而较轻的矿物质则积累在表面附近。随着月球冷却，较轻的矿物质根据熔点结晶，然后根据密度进一步沉入或上升。放射性元素优先集中在表面附近，导致额外的熔化或延长的冷却。所有这些导致了一个约 50 公里厚的壳层。
由于月球没有保留任何大气层，因此它不会减缓进入的物体，而且不会像地球那样发生风化。通过冷却凝固的原始地壳后来被大量陨石坑覆盖并分解，但成分相当未改变。表面覆盖着一层 2 到 8 米厚的月壤（月球土壤），由原始地壳加上撞击的小行星组成。这在陨石坑形成过程中被抛出并混合在一起。细小的月壤与更大的岩石和巨石（图 4.12-3）交织在一起。由于性质破碎，月壤很容易被收集和移动。由于该层在月球上是全球性的，因此从该来源可获得约 380 万亿吨的材料。如果这还不够，或者需要局部但更深层的矿石，可以使用传统的采矿技术。爆破通常在地球上用于批量采矿，但使用氮基炸药。该元素在月球表面供应不足。替代方法包括从其他地方供应氮化合物或现成的炸药，通过从轨道上引导撞击来进行人工陨石坑，使用当地岩石和加速器进行小规模压裂，或使用等离子炬用氧气作为载气进行切割，其中氧气是月球地壳中最丰富的元素。实际采矿的最大深度受覆盖岩石压力和地壳温度梯度的限制，但应该在几公里范围内。因此，其原材料数量将比月壤层多出约一千倍。
我们可以通过查看所有地球产业类别，并找出未来有可能在那里运营的类别，来制定一份可能的月球活动清单。我们可以在此基础上添加任何对月球区域独有的活动。现有的行业按北美产业分类系统 (NAICS)进行统计分类。我们将使用它们的编号系统和顺序进行我们的调查，并将独特的月球项目插入最合适的地方。
11 - 农业: 当地农业将发挥作用，前提是该地区的人类和其他生物需要食物，并且可以避免从地球或其他太空地点运输。植物也可以回收人类的废弃物，同时生产食物和其他有用的产品。月球轨道上可以广泛获取过滤后的阳光，但月球表面的漫长黑夜，以及地下缺乏阳光，可能需要为高等植物提供人工照明。微生物可能更能耐受长时间黑暗。碳 (100-160 ppm)、氢 (30-60 ppm)、氮 (60-120 ppm) 和水 (10-1000 ppm) 在月球土壤中很稀少，可能需要从其他地方进口 (Fegley 和 Swindle, 1993 )。
21 - 采矿: 月球表面覆盖着平均 1000 万吨/平方公里的破碎岩石和尘埃，并且白天有 1.36GW/平方公里的太阳能可用于为采矿和加工作业提供动力。采矿似乎可用于当地使用，以及供应距离比从地球到达更容易到达的位置。开采产品的运送到地球本身将受到限制。构成月球表面大部分的矿物氧化物在地球上也广泛存在，而且成本低廉。可能存在一些稀有材料，这些材料将值得运送到那么远的地方，特别是如果开发出非常低成本的运输方式的话。
22 - 公用事业: 月球区域的所有活动都需要当地电力，最初可以通过从地球带来的太阳能板和电池等设备供应。当需要更高的电力水平时，可以当地制造像聚光反射器和热能存储之类的简单系统。随着当地制造业的发展，可以建造更复杂的电力系统。我们的文明消耗着越来越多的能量。高轨道区域可获取的太阳能是地球表面位置的 4-15 倍，而且不会受到黑夜和天气的影响。如果能够以足够低的成本交付这种能量，那么将会有巨大的需求。月球区域可能距离地球太远，无法有效地向地球发电和传输能量，但可以作为材料和产品的来源，以便在高轨道区域这样做。在合理传输范围内（80,000 公里轨道半径）可获取的太阳能数量为 2740 万太瓦，相当于地球当前总能耗的 100 多万倍。
23 - 建设: 地球足够大，可以在可预见的未来从纯粹的物理空间角度支撑其人口。以曼哈顿的密度，100 亿的人口将适合世界陆地面积的 0.25%。即使不需要更多空间，但出于多种原因，它是可取的。月球区域可以提供一些这些物理空间。在月球区域进行涉及人和生物的活动需要居住地来支持它们，因为自然环境无法做到。大型轨道居住地和工业设施将很难作为一个整体交付。要么需要现场施工，要么需要轨道上的造船厂和拖船。大型地面居住地和其他设施将难以移动，需要当地建造。
31-33 - 制造业: 月球区域可能生产的产品范围很广。第一个被制造的可能是那些利用当地资源、取代从地球运来的大量物质，而且相对简单的产品。例如，散装屏蔽、用于夜间供电的热能存储质量、用于推进和生命维持的基本化学物质以及用于建筑的矿物产品和金属。一旦将生产设备的启动套装运送到该区域，它们就可以开始引导自己的扩展，并增加当地制造的产品范围。往返附近区域的运输能量很低，因此当地制造业可能可以使用更广泛的材料投入和产品出口。
42 - 批发贸易: 该地区的个体运营商将根据比较优势的经济原则相互交易，并与其他区域交易。月球拥有大量易于开采的原材料。因此，这些材料或用它们制成的产品很可能会流向缺乏这些材料并且运输能量低于地球的月球和地球轨道。贸易的所有权和控制权可能来自地球，而不是当地。从该区域与地面通信相当容易。
44-45 - 零售贸易: 我们预计该区域在相当长一段时间内不会出现重要的零售贸易。月球区域的早期人口将是出于科学和工业目的而去的。他们的雇主很可能会提供他们的基本需求，甚至预算一些可选物品，比如娱乐媒体。随着永久居住地的发展和非工作人口的积累，将会有更多的时间和资源可以应用于个人选择和非必需的专业领域。然后零售贸易可能会发展起来。
48-49 - 运输和仓储 为了在该区域启动任何活动，需要从先前开发的区域运输。这种运输已计入之前阶段，从它们在地球或地球轨道上的起点开始。本阶段考虑了月球区域内以及更远目的地的运输。起初，所有运输设备都是在其他地方制造的，但随着时间的推移，推进剂、结构和更复杂的东西可以在当地制造。运输包括基础设施，例如太空港和地面车辆机库。仓储包括所有类型的存储，从未加工的岩石和基本化学物质等散装物品开始。
51 - 信息 通过太空传输信息不需要质量，只需要很少的能量。因此，地球轨道上已经存在许多纯粹用于通信的卫星系统，并且几乎所有卫星系统都具有通信系统来支持其主要目的。一旦该区域开始进行重大运营，通信网络将扩展到月球区域。用于月球区域内部使用的网络、通信和信息技术，以及与地球和其他区域的通信，从一开始就将是广泛的。使用的设备复杂且质量较低。因此，它很可能继续来自地球。
52 - 金融和保险 这很可能由地球提供，因为所有权、合同和货币都是非物质关系，可以远程交易。
53 - 房地产、租赁和租赁 外层空间条约 禁止声称拥有天体，但允许在太空中进行和平利用。国际空间站的国际协议以及通信卫星的轨道位置和频率已为太空设备的所有权和使用设定了先例。尚未解决的是对小于整个天体的领土权利。例如，如果有人在月球上建造了一个采矿作业，或者在月球轨道上建造了一个殖民地，他们是否会在某种程度上拥有其周围的领土，就像地球上的土地权利一样？一个合理的答案是出于技术和安全原因排除其他人。因此，其他人不能建造任何东西来遮挡你的太阳能收集器或用火箭尾气损坏你的设备。在法律问题解决之前，我们无法确定此行业类别的范围。与金融和保险一样，无论范围如何，它很可能出于类似原因由地球处理。
54 - 专业、科学和技术: 一些研究和开发，特别是科学研究，最好在月球区域当地进行。此类活动始于 1960 年代，在很大程度上是出于政治原因，并一直持续到今天。预计未来在月球区域将继续进行科学和越来越多的商业活动。迄今为止，大多数参与太空活动的人都在地球上，他们建造设备并远程操作设备。这种情况很可能会持续一段时间，但越来越多的人会访问和在月球区域工作。他们最初将集中在科学和技术领域。
55-56 - 管理和组织支持: 商业管理和行政工作很可能大部分由地球处理。轨道碎片收集和辐射修复等支持活动是地球轨道上的任务。这些反过来可能由月球区域提供。
61 - 教育: 这很可能在开始时由地球提前或远程完成。当地教育主要限于工业运营培训。一般儿童教育和高等教育将推迟到永久居住地发展起来，并拥有需要教育的年轻人。
62 - 医疗保健和社会服务: 从一开始，月球区域的人员就需要健康监测和急救能力。起初，这将通过培训船员本身，并进行远程监测和建议来实现。随着该区域人员数量的增加，可以提供更多专门的设备和医疗保健专家。远程临场、虚拟现实和触觉机器人目前还不足以进行远程医疗保健，而且由于光速延迟，可能永远无法从地球做到这一点。在当地进行的自动化医疗保健可能是可能的。这些取决于未来的研发，因此目前医疗保健概念将涉及现有方法。护理和疗养预计最初由地球提供，通过将人们送回地球。随着该区域人口的增长，当地设施可能会建立起来。我们假设社会援助将在远程进行或不需要。对于该地区所有人来说，居住和食物等基本必需品都需要提供，以便他们能够生存。对于任何需要社会支持的人来说，返回地球都是一个选择。
71 - 艺术、娱乐和休闲: 娱乐将从远程交付或软件开始，用于该地区的人员，因为他们的能量和质量都很低。主动休闲将从必要的健康维持锻炼开始。早期的月球着陆点可能会被保留为历史地点，并且月球区域可能会发展出独特的运动，例如火星车比赛或低重力体操，但这些目前还处于推测阶段。
72 - 住宿和餐饮： 该地区的人员必须始终获得生活空间、食物和饮品。最初，这些将由赞助组织提供，并由自身运营。随着当地能力的提高和人们建立长期住所，将有空间提供临时旅行住宿、旅游以及特色餐饮场所。低轨道太空旅游已经实现，并已提议在月球区域开展，但由于成本极高，因此市场非常有限。但这确实表明存在兴趣。探险旅游市场的出现表明，一旦成本变得更加合理，将会有更多游客。
81 - 其他服务： 此类别涵盖未在其他地方涵盖的各种活动。从一开始，月球区域就非常需要维修和维护。这是因为设备要么更换成本高昂，要么对生命至关重要。个人服务将从最初的自力更生开始，直到人口规模更大。私营和公民组织最初不需要，可以是地球组织的延伸，或者在当地自发组织。
92 - 公共行政： 最初，该行业类别的大部分工作将由地球处理。消防和公共安全将从最初的自力更生开始，并随着人口的增长而发展为专业领域。环境质量和监测将被设计成月球系统中的必需品。迄今为止，该地区唯一进行的公共资助的民用和国家安全太空活动，而且它们很可能继续保持重要地位。政府对这些活动的预算有限，而商业和私人预算不受此限制，因此我们预计后者最终会占主导地位。为了提高效率，公共和私人项目应相互整合，以相互支持。
项目驱动因素
[edit | edit source]哪些活动对月球区域有意义，以及何时进行，取决于多种因素。其中包括项目动机、经济性、可用技术以及先前和并行开发。这些驱动因素会随着时间的推移而发生变化，影响这些活动中的哪一项启动以及何时启动。
动机
[edit | edit source]开发该地区的动机可以是个人、组织或社会性的。好奇心驱使着对月球本身的科学探索，以及对未来其他科学的支持。自然和人为灾害的安全性是另一个动机。它过去推动了轨道天气和防御系统的发展，将来可能会推动小行星偏转和太阳遮挡系统的开发。月球自然环境没有生命，充满辐射。因此，将危险活动从地球转移出去是另一个安全驱动的动机。利润动机在商业世界中始终存在。该地区未被索取的物质和能源资源是潜在的盈利活动来源。[添加人类动机的列表以及适用的动机]
经济学
[edit | edit source]哪些项目可行，以及何时可行，部分取决于可用技术以及先前阶段的支持。但这也取决于项目本身的经济效益。比较优势和投资回报率等经济原理仍然适用于月球区域。月球的第一个优势是距离地球和地球轨道相对较近，这些轨道已经投入使用。通信和运输时间比更远区域短。接下来是由于月球质量较小且位于地球引力场中的高位置，因此到达附近轨道的能量较低。由于地球大气层的缓慢气动减速，运输“下坡”（朝向地球）变得更加容易。缓慢气动减速使用多次通过来降低加热并避免损坏。运输“上坡”（远离地球-月球系统）通过在出发和到达时都使用月球来进行引力辅助变得更加容易。最后，月球区域有大量的原材料和太阳能可用，可以实现项目。
虽然月球区域有大量的材料可用，但它们并非所有可能需求的完整来源。月球表面缺乏挥发性化合物，这些化合物已经逃逸，以及密度较高的矿物和天然铁，这些物质沉入了内部。一个完全发达的经济体将需要从其他地方补充当地材料，从而推动贸易。这包括近地小行星以及从低轨道或地球。近地小行星是散装材料的理想选择，因为到达和返回它们的能量很低。低轨道和地球是高价值和制成品的可能来源，因为那里有更多成熟的行业。从长远来看，其他来源最终可能会具有经济效益。成本往往随着任务中消耗的能量而增加。因此，当从其他地方运输的能量小于从稀缺的当地来源开采和加工的能量时，贸易是有意义的。反过来，贸易推动了对低成本运输的需求。
地球已经维持着一个完整的文明。因此，来自月球区域的实物产品不可能在成本上与地球上的产品竞争。例外情况包括科学和收藏样本，它们的值特别来自它们的月球起源。信息是低质量的，并且相当容易传递，因此来自月球时可能具有显著的经济价值。能源是地球上的一个非常大的市场，太阳能在地球轨道上更加丰富。如果可以经济地交付，那将推动整个太空工业的发展，并从月球区域出口产品以支持它。
技术
[edit | edit source]截至 2016 年，从地球到月球区域的发射成本约为 5500 万美元/吨。这略高于黄金/吨的价格，这极大地限制了哪些类型的项目可行。到达月球的原材料批发能源仅为 1000 美元/吨，这表明还有多少改进的空间。许多新的运输系统正在开发中。SLS 最终可能会达到每架次 10 亿美元的成本，用于使用所有化学推进剂将 55 吨运送到该地区，或者每吨 1800 万美元。SLS 和从低轨道出发的有效电动拖船可以为该地区提供约 105 吨，价格为 12 亿美元，或者每吨 1150 万美元。重型猎鹰可以将 64 吨货物运送到地球轨道，并与电动拖船一起可以为月球区域提供 50 吨货物，价格约为 2 亿美元，或者每吨 400 万美元。这些是改进，但成本仍然很高。相比之下，2017 年中期白银的价格为 50 万美元/吨。任何以贵金属价格倍数衡量的运输仍然是重大发展的一个障碍。
因此，我们对两种技术改进有强烈的动力：具有更低运输成本的系统，以及使用当地资源以避免运输。这两者都需要大量的研发，以便在尝试大规模月球开发之前准备好新技术。这两项改进对其他地点都有用。因此，我们预计它们的开发将在早期项目阶段开始，并在需要时升级以进行月球开发。
先前和并行开发
[edit | edit source]上述技术改进不会同时发生，因此不同的月球活动和项目将在不同的时间变得可行。这将与地球和太空中的其他项目阶段以及月球区域中之前或与之并行的其他开发同时进行。在很大程度上，由于所有太空区域的运输成本仍然很高，因此有利于高价值/低质量的活动以及那些经济回报不重要的活动，例如公共资助的科研和探索。低地球轨道和高地球轨道很可能将继续比月球更发达，因此推动运输和资源利用的改进。高推力系统可能会从其他区域改编，用于最初的月球表面访问。像空间天梯这样的改进最初是为地球轨道开发的，后来可以改编为月球表面访问。小行星加工可能从 L2 开始，L2 在月球区域之外，但后来可能会在月球附近或月球上添加其他地点。这些地点可以使用相同或升级的设备。
开发项目
[edit | edit source]我们现在可以开始将上述信息结合起来，形成一种用于月球开发的通用方法，并确定具体的项目。我们可以为这些项目提供初始概念，这将使我们了解它们的规模和主要特征。但这仅仅是一个起点，并不排除其他想法。它也几乎没有开始对项目进行优化和集成，使其相互关联并与其他地方的其他项目关联。
月球表面面积相当于地球上两个大陆的面积，其轨道区域的横截面积为38.5亿平方公里，是地球总表面的7.54倍。这个区域太大，无法一次性开发，也不能由单个项目或组织完成。因此，我们的总体方法是确定一些较小的任务和项目。这些任务可以由不同的组织独立执行，并按逻辑顺序进行。当它们同时存在时，它们会相互作用，与其他项目阶段以及文明的其他部分相互作用。
这些任务可以根据开始时间划分为准备阶段、轨道阶段和地面开发阶段。目前已有许多现有和近期的项目针对早期任务。我们将在下面列出这些项目，并将其存在整合到后期项目的计划中。我们还没有为特定的长期项目制定整合的顺序。因此，它们按主要功能（生产、居住、运输或服务）和位置（轨道或月球表面）进行分类。在每个类别中，我们按大致的开始时间顺序排列它们。我们预计早期的项目会与同一类别中的后期项目重叠，而不是完全被取代。
准备阶段 - 规划和设计未来的月球项目需要了解该地区的相关特征，以及特定运营地点的特征。因此，月球开发的准备工作包括勘探、调查、勘探和场地调查等任务。月球的科学探索始于望远镜可用以详细观察月球之时。随着火箭技术的发展，人们能够将仪器送入轨道和月球表面，并带回样本进行分析，月球科学探索加速发展。现在对轨道区域的了解已经足够深入，可以开始在该区域进行项目。对于月球表面，整个月球的调查和勘探仍在进行中，但未来地面活动的详细工作尚未完成。我们假设将在对特定地点进行大量开发之前派遣月球车等设备。它们将进行详细的调查、勘探和地下调查。
轨道开发 - 月球轨道比月球表面更容易到达，特别是在初期。因此，我们假设轨道开发早于地面开发。轨道位置通常不需要物理准备，因为它们没有天然材料。因此，可以使用给定的轨道，只需将设备运送到该轨道即可。较小的卫星（例如通信中继卫星）可以作为一个完整的单元从地球运送。较大的设施（如有人居住的空间站）可以使用在地球上生产的部件，并在地球轨道或最终位置组装。在这两种情况下，电力拖船都可以缓慢但有效地将其运送。人们将首先乘坐速度更快的化学火箭前往月球，以避免受到辐射照射。相同的电力拖船可以从附近的轨道上获取小行星岩石。它最初可以原样用于大体积的辐射屏蔽。然后，从地球运来的加工设备可以开始用小行星材料制造更简单的产品，如推进剂、氧气和水。
我们目前还不知道最佳的发展路径。在这方面需要进行大量的研发工作，例如，我们可以遵循历史经验，使用钢铁和蒸汽来启动不断增长的经济。金属小行星主要含有铁，并混合了不同比例的镍和钴。球粒陨石小行星含有高达20%的水和碳。碳可以添加到铁中制成钢，水可以用聚焦的阳光加热来产生蒸汽动力。一套启动生产工具将把金属库存转化为动力装置和更多生产机器的零件，从而启动自身的扩张。它们还可以制造结构部件、压力容器和其他物品，以扩展生产流程范围。这可能是比一开始生产太阳能电池板更简单的启动方式。后来，从月球表面开采和运输将增加源材料的数量和多样性。稀有材料和难以制造的物品将继续从地球进口，但随着生产的增加，其所占比例会下降。新的工作人员、对月球系统的远程控制和支持服务仍将由地球提供。
地面开发 - 月球表面工作比轨道开发开始得晚，但在之后将持续并行进行。月球表面的位置通常在其自然状态下并不理想。因此，可以在勘探和场地调查之后开始建筑场地工作。这将使用一些由地球运送的机器人、自动化和遥控机器的组合。轨道上生产的推进剂使它们的运输变得更容易。某些类型的项目不需要大量的人员。它们可以继续以远程操作的方式进行，并且可能需要机组人员短暂访问进行维护。短时间访问和规模较小的长期人口可以通过从其他地方进行的交付来维持。为规模较大人口和工业运营提供一切物资效率低下。当地开采、加工和制造将在一段时间内逐渐发展起来，以支持它们。
与轨道开发类似，地面开发的最佳增长路径需要进行大量的研发工作。它可以从交付现成的生产设备开始，然后使用启动套件来启动进一步的扩张。根据规模和成本，当地生产简单产品的活动可能最早在远程操作阶段开始。这些产品可以被储存起来，供以后的开发使用。即使人们在月球表面全天候或部分时间获得支持后，也可以继续使用机器来增强他们的工作，并使用自控或远程控制。根据自动化的程度，每人可能会有大量的此类机器。这种方法将利用早期有限的人力资源。
从地球运输 - 美国国家航空航天局 (NASA) 通过其太空发射系统 (SLS) 和猎户座航天器 项目致力于从地球进行直接运输。SLS 提供了将大型有效载荷运送到月球区域（和其他目的地）的能力，猎户座航天器用于运载人员。其他化学火箭，这些火箭处于不同的运营和开发阶段，也可以将有效载荷运送到该区域。只有较大的火箭才能在无人帮助的情况下运送大量的有效载荷。Scaled Composites Stratolaunch 载机是混合涡扇/化学火箭运输系统的一部分，有可能支持月球任务。组合循环SABRE 空气呼吸/火箭发动机用于反应发动机 Skylon 太空飞机，目前处于开发的早期阶段。Skylon 旨在将 15 吨有效载荷送入低地球轨道，足以支持月球任务。
从低地球轨道运输 - 化学火箭的性能受到推进剂可用能量的限制。它被用于地球到低地球轨道的运输部分，因为它提供了足够的推力来克服地球引力，并防止弹道轨迹在到达轨道之前再次与地球表面相交。一旦低地球轨道项目在 4A 阶段建成，就可以使用更慢但性能更高的替代方案，并从低地球轨道到月球区域建设运输基础设施。即使使用化学推进，与目前的一次性运输相比，系统成本也可以降低。如果可以使用更便宜的推进剂来源或硬件可以重复使用，这将是可能的。多用途轨道运输飞行器通常被称为太空拖船，与拖船类似，它们负责在周围推动船舶和驳船。
前往月球区域的任务 - 自 1959 年以来，已有 64 项成功的公开前往月球的任务 或涉及月球区域的任务。其中最著名的是阿波罗任务，该任务运送了人员并将 382 公斤的样本带回了地球。大约 20 艘更多公共和私人探测器正在开发中，计划在 2017 年至 2020 年代之间发射。两项短期载人任务也在开发中。目前还提出了十多项探测器和载人任务，但尚未开始开发。美国国家航空航天局 (NASA) 的深空门户 是一个计划于 2020 年代在月球附近光环轨道上建设的有人照料的空间站。欧洲和中国航天局已提出在 2030 年代建立月球表面基地。这两项计划可能都将涉及国际和私人合作。我们预计该地区的公共项目将继续发展，但会受到可用资金的限制。
如上所述的总体方法，在我们可以为月球长期开发制定明确的计划之前，需要进行大量的研究和开发工作。我们现在可以做的是确定潜在的项目以及为这些项目做哪些准备工作。它们可以被整合到一个计划中，但这应该被认为是初步的，并且很可能会随着时间的推移而修改。为了方便起见，项目按功能和位置分组，然后按大致的时间顺序排列。
到达月球轨道所需的能量比到达月球表面所需的能量少，并且从高地球轨道区域很容易到达月球轨道，因为月球区域位于高地球轨道区域内。因此，我们预计轨道生产将先于地面生产。早期生产可能是深空门户等公共项目的产物。这些项目将从组装从地球运来的预制组件开始。然后可以逐步增加当地生产。生产可以从预制工具和设备开始，然后通过使用种子工厂方法来启动自身的扩张。一套启动设备用于制造自身扩张所需的某些零件，其余零件则从外部进口。随着时间的推移，可以在当地制造更多零件，直到达到经济合理的极限。生产输出可以在轨道上本地使用，运送到地面，出口到高地球轨道和低地球轨道区域的现有市场，并出口到更远的地方。我们预计该区域不会向地球出口太多产品，因为地球上的文明发展良好，成本可能更低。主要的生产步骤包括
材料和能源来源 - 月球轨道上没有重要的材料来源，因此必须从地球进口。尽管物理距离更远，但近地小行星是最初最容易获得的材料来源。这是因为可以使用电力推进，效率很高，月球可以用来进行引力辅助，从而减少推进所需的ΔV。这两种方法都不适用于早期往返地表的运输。小行星的成分比月球表面更加多样化，可以生产更广泛的产品。当弹射器和天钩等运输基础设施变得可用时（见下文月球运输），月球表面的低成本、高产量和更短的交货时间将成为优势，从而改变平衡，转向更多当地材料供应。某些材料在小行星和月球矿石中都很稀有，仍然需要从地球供应。
轨道位置全年有 50% 到 100% 的时间可以使用太阳能，主要取决于高度，而地表位置的使用时间为 50% 或更少，并随着纬度的增加而降低。由于制造产品的内含能量通常大于将材料从月球表面移至轨道的动能，因此在轨道上通常可以更快地进行生产。轨道生产的大多数市场将是本地或其他轨道区域，并且比从地表交付所需的能量更少。由于这些原因，轨道生产应该继续受到青睐。
材料加工 - 一些产品，如散装辐射屏蔽，不需要进一步加工，只需交付即可。但大多数都需要通过机械、热力、化学、电气或其他方法将原材料转化为成品。加工可以从最简单、最容易的方法开始。例如，从球粒陨石类型的小行星岩石中提取水，只需要使用聚光太阳光加热容器，并使用阴影冷凝器收集析出的蒸汽即可。金属小行星主要由天然铁镍钴合金组成，占其质量的 95% 以上。然而，单个样本的成分各不相同，可能含有不希望存在的微量元素、缺少其他想要的合金元素，或含有岩石夹杂物。石铁陨石组含有更高比例的硅酸盐和更少的天然金属。因此，通常需要进行加工以生产具有所需尺寸和形状的均匀合金。石铁陨石的石质部分，以及纯S 型小行星 通常是含有多种金属元素的硅酸盐矿物。这些需要大量的加工才能提取所需的产品。
轨道制造 - 目前已知许多将原料转化为成品的制造工艺。这些包括地球上使用的所有已知方法。除此之外，我们还可以添加一些利用零重力、真空和全光谱太阳能的独特方法。哪些方法适用于月球轨道以及开发它们的顺序，都需要大量的研发。至少，地球上已知的工艺可以在太空中使用，只需提供正常的大气和人工重力即可。然而，这些方法在轨道上可能非常庞大和低效。
轨道组装和建造 - 这可以从地球运送的预制元件开始，并在轨道上组装，例如空间站以及更大、更强大的卫星。随着本地生产的发展，轨道产品的尺寸不再受地球发射质量和成本的限制，因此它们可以使用更简单、更重的设计。月球轨道区域是将原材料供应、能源供应和来自地球或低轨道的零件交付相结合的有用位置。因此，它可能会发展成为一个主要的组装和建造场所。像太空殖民地这样的大型项目一旦建成，可能太庞大而无法移动。在这种情况下，较小的部件可以在月球轨道上生产，然后运送到最终位置进行建造和安装。
地表生产系统可以在不使用进口材料的情况下生产一些物品。月球矿石相对有限的变化意味着更广泛的产品将需要大量的外部供应。着陆月球一开始需要大量的推进剂，因此进口物资的成本更高。因此，早期生产将有利于那些可以完全或大部分在当地生产的物品。一旦高效的双向运输可用（见下文运输），大量的原材料和半成品可以出口到轨道生产。更多的成品和材料也可以进口到地表生产。这使得在地表可以生产更广泛的产品，并形成一个互惠互利的贸易网络。地表生产的首选位置取决于能源和材料来源的可用性、当地条件、运输能力以及产品的预期目的地和用途。例如，如果科学前哨站附近的工业运营会造成不必要的干扰，他们可能不希望在附近进行工业运营。可能的生产产品包括
最小加工的月壤 - 早期的月球采矿和建造将支持近期的公共科学和探索项目，例如地表站。这将包括清理和平整建筑场地和通道；然后是挖掘、放置和用未加工的当地月壤覆盖站的部件，以提供辐射、热量和碎片保护。碎片保护来自自然陨石和着陆器排气抛出的物质。覆盖可以是简单地将材料松散堆放在支撑结构上，而不需要进行加工，只需要对岩石大小进行分类。铺路和块体可以通过使用聚光太阳光熔化土壤来生产。
水提取 - 月球上已知没有液态水，但月球水 已知存在于两种主要形式中。第一个是化学结合的水合物和氢氧化物矿物。从这种来源中提取水需要高温。浓度约为百万分之十到千分之一。第二个是困在两极附近永久阴影陨石坑中的水冰，那里的温度足够低，可以保存水冰。小行星可以包含高达 20% 的水，氢可以与丰富的矿物氧结合，生成其质量 9 倍的水。因此，进口是低浓度和有限的当地来源的替代方案。从长远来看，水在小行星带中部以外的霜线 非常丰富，那里的温度一直保持足够低，可以保留固体冰。如果低成本运输可用，它们将成为有限月球来源的首选来源。当然，地球上有大量的水，但运输它需要消耗大量能量。
天然铁生产 - 早期的生产路径可能是开采和加工天然月球铁，其含量约占月球土壤的 0.5%。如果此过程可行，它可能使用相当简单和低质量的设备，从而在运送到月球的硬件上获得早期回报。将土壤筛分以分离出细颗粒，然后通过磁性分离选择含铁颗粒。其余部分用于制作砂模。机器人将一块地面磨平，在上面铺上非铁颗粒，然后压实并制作出模具凹槽。将含铁颗粒放置在模具凹槽中，一个大型聚光碟将阳光集中在凹槽上，如果需要，可以顺序扫描它们。铁颗粒通常附着在其他矿物颗粒上，但由于密度更大，它会沉到底部，而玻璃状渣滓会上升到顶部。结果会是基本的形状，如板和条，两侧都会粘上熔化的渣滓。
根据铁和其他矿物的熔点，可能需要选择耐火矿物作为模具。一种方法是加热样品，直到较不耐火的成分升华。另一种方法是勘探合适的耐火源岩。第三种方法是将一个高度耐火的坩埚带入其中，将颗粒熔化，然后分别倒出渣滓和铁。在这种情况下，模具在短时间内会变热，不会熔化太多。需要研发来确定这些方法中哪些，如果有的话，将会有效。铸造金属坯料需要用喷砂清理掉粘附的渣滓和模具颗粒。幸运的是，月球表面没有缺少矿物颗粒来完成这项工作。你现在有了一批铁坯，可以用于各种建筑和零件制造。
化学加工和冶金 - 更复杂的加工可能需要更多设备，但可以从一定量的月球矿石中获得各种坯料。一般来说，任何给定的土壤中大约有 43% 的氧气，因此可以使用几种还原过程来提取氧气。氧气可以用作推进剂，并用于生命支持。土壤中平均约有 21% 的硅，可用于太阳能电池板，以及用于变压器和电机中的钢材。与氧气结合，它会形成石英，与其他元素结合，会形成用于镜子和窗户的普通玻璃。土壤中平均约有 24% 的铁、铝、镁和钛，它们是很有用的结构金属。月球玄武岩，它构成了大部分月海区域，可以制造高强度玄武岩纤维。因此，通过完全加工，几乎所有土壤都可以转化为有用的产品。然而，土壤中某些元素含量较低，例如碳、氢和氮。前者用于制造钢材，而所有这三种元素都需要有机物。这些元素可能进口，而不是从低品位矿石中提取。早期的市场很可能是在先前开发的地区，并且在月球轨道较高的地方，可以获得更多的太阳能用于生产。因此，我们预计早期的生产主要用于出口到月球轨道及以外，而用于当地使用的生产将逐渐增加。
氦-3 采矿 - 从月球开采氦-3 经常被建议用于地球上的能源，因为它在聚变反应中产生的辐射副产物很少。这个想法存在几个问题。第一个问题是氘/氦-3 聚变比氘/氚聚变难约十倍。我们还不知道如何维持 D-T 聚变，更不用说经济地进行，而且我们离进行更难的 D-He3 聚变更远。所以我们现在根本不需要它。第二个问题是 He3 来自太阳风，沉积在月球表面。然而，这种来源是弥散的，并且这种同位素极易挥发。因此，月球大部分地区的净丰度只有十亿分之三到十五。因此，我们必须处理十亿吨月球土壤才能获得 3 到 15 吨产品。
外层气态巨行星中氦-3的丰度比月球高出 1000-6000 倍，因为它们的 атмосфера 包含 15%（天王星）和 19%（海王星）的氦，因此也包含比例更高的 He3 同位素。更高的矿石浓度意味着开采和加工每吨产品所需的矿石重量更少。虽然外层行星比月球距离地球远得多，但如果我们需要 He3，那么 D-T 融合反应已经解决，并且可以用它来为飞船提供动力前往这些行星。由于这些行星的大气层主要由氢组成，因此氘同位素十分丰富。氚可以通过中子轰击 He3 制成。大气中的大部分氢和氦可以用作推进剂。因此，开采外层行星可以实现自给自足。第三个问题是相对能量含量。纯 He3 可以提供 200 TJ/kg 的能量，但在月球浓度下，开采的土壤只能提供高达 3 MJ/kg 的反应能量。这仅仅是化石燃料能量的十分之一，是木材能量的五分之一。因此，在 地球上开采氦-3 几乎不值得，更不用说在月球上了。
硅和铝占典型月球土壤的 28%。假设只有 10% 的土壤质量被提取为这些元素，并用于制造太阳能电池板和电力卫星的结构。这些卫星将产生约 100 W/kg 的功率，因此开采的每公斤土壤的净功率为 10 W/kg。这种电池板的标称寿命在轨道上为 15 年，在此期间它们将产生 4.75 GJ/kg 的能量。这种能量可以全天候传输到地球。因此，如果你想开采月球来为地球提供能源，你可以通过太阳能产生比 He3 融合反应高 1500 倍的能量，即使在元素提取效率较低的情况下也是如此。太空太阳能电池板会因辐射损伤而退化。然而，损坏的电池板代表了可重新加工的高质量矿石。这应该比从岩石中提取硅所需的能量更少，而且这些电池板产生的能量远远超过它们生产时的消耗能量。因此，原则上我们可以无限期地延长卫星的寿命。在这种情况下，它们的能量产量仅受太阳寿命的限制。
如上所述，月球表面的一些区域含有高达百万分之十的铀和钍。这些元素在月球从熔融状态冷却的过程中，通过差异过程集中在月壳中。开采的矿石的能量含量约为 800 MJ/kg，是 He-3 能量含量的数百倍。因此，即使是在月球或其他太空地点进行核能发电，He3 也不是最有效的来源。太阳能的能量含量甚至更高，但有一些情况下核能很有用。这些包括跨越漫长的月球夜晚，在阴影陨石坑中，或用于便携式电源，以及在远离太阳的太阳能较弱的地方。结论是，从月球开采 He3 对于我们所能看到的任何目的都没有意义。
表面制造和组装 - 与其他项目阶段一样，我们使用一个引导式过程来建立我们的生产能力。我们首先进口现成的工具和设备，例如用于铺设和制砖的移动太阳能熔炉。然后，我们添加一组初始机器（种子工厂），这些机器能够制造用于制造更多生产机器的部件，以及其他最终产品。车床和铣床等机床旨在用金属坯料制造金属零件。现代机床是计算机控制的，而且它们本身主要由金属制成。因此，当提供当地库存材料时，一组初始机器可以制造更多机器的许多部件。鉴于对各种机器的计划，初始机器组可以在尺寸和复杂性上都增加。例如，锻压机或轧机对于制造某些类型的金属零件很有用，但这些机器可能太重，无法一开始就带到月球。但是，如果你有充足的当地材料，你可以在需要的时候建造它们。
初始机器组不能制造所有类型的所需零件，因此其余零件将继续从地球进口。随着机器组的增多，进口的零件和材料所占比例会下降，尽管它们的绝对数量可能会增加。然后，使用机器人、遥控和人工操作的组合来组装零件。早期的组装可能与为辐射屏蔽堆叠积木一样简单，但更复杂的产品将需要专门的组装空间。机器人和工厂建筑本身就是可以制造和组装的产品，因此整个生产系统可以随着时间的推移而自我发展。
电力 - 月球表面上的各种生产都需要能量，包括电力和工艺热量。早期的电力系统可以作为完整的系统从轨道上运来。这可能是光伏太阳能电池板或核能。对于固定设施来说，质量不是问题，因此使用当地材料的太阳能热能是一个扩展选择。可以交付复杂的设备，例如蒸汽轮机发电机组。可以在地球上制造提供集中阳光的反射器。它们可以是金属板，并镀上蒸发铝层以使其更具反射性，或者更简单地说，预制反射板被运送，只有支撑结构在地球上制造。随着生产工艺范围的扩大，在地球上制造的比例可以随着时间的推移而增加。来自当地来源的水和岩石提供工作材料。一个容器中装满了月球岩石和少许用于传热的氣体。它周围是大小合适的 regolith 粒子，用于真空绝缘。白天，容器用集中阳光加热，热交换气体直接用于煮沸水和运行发电机。晚上，岩石中储存的热量继续加热气体。月球表面有大量的岩石，因此我们可以提供两周的热量储存，而陨石坑可以提供一个方便的地方放置容器和绝缘材料。
工艺加热 - 许多工业过程都需要某种形式的加热。这也可以用与电力相同的集中阳光来生产，但将合适的加热器或熔炉替换为热能储存装置。不同的过程需要不同的热量，而且给定过程的温度会随时间变化。这可以通过一个可操纵的镜子阵列来实现，该镜子阵列根据需要指向选定的目标，并且使用一个遮光板进行精细控制。出于多种原因，熔炉和加热器可能需要固定。由于太阳在空中移动，因此镜子必须是可操纵的，因此将它们指向不同的目标不会给设计增加多少复杂性。
月球轨道居住
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月球表面居住
[edit | edit source]居住通常是指让人们能够居住在某个地方的设施。在地球上，这包括房屋，以及商业和工业设施中为人们需求而设计的区域。例如，工厂的休息室和休息区是为人们设计的，而生产机器是为工厂生产的产品而设计的。由于月球表面对人类生命来说是敌对的，因此那里的栖息地必须保护人类免受自然环境的侵害，并提供人类的基本需求。这包括空气、水、食物、温度控制、睡眠、卫生等。
短期栖息地 - 用于短期科学和探险任务的月球表面栖息地，可能会基于加压舱，就像当前的国际空间站使用的那些。它们将在地球上预制并运送，然后在现场组装。这将需要设备来准备场地，并将这些部件从着陆地点移动到最终位置。它们可能是刚性外壳或充气结构。舱室和其他设备可能需要保护，免受每日温度变化、辐射、陨石、机械和静电尘埃传输以及人类造成的危害（例如着陆器火箭排气）的影响。一种通用的方法是使用类似于地球上使用的拱形结构（图 4.12-4）。这些结构被月球土壤和岩石覆盖，无论是天然形式还是形成块状。该结构允许进入舱室外部进行维护，并为可移动物品提供额外的存储和工作空间。由于众所周知，长期处于低重力状态是有害的，因此机组人员的时间将限制在一年或更短。对于少数人来说，从轨道上为他们提供补给是可行的。
长期栖息地 - 涉及更长时间居住或永久居住，以及更多人的栖息地，将需要不同的设计。人们可以在短时间内忍受狭窄的住所，但出于心理和个人原因，他们在长时间居住时会想要更多空间。为了保持健康，他们可能需要离心机来创造人工重力。一种示例设计将是一个大型栖息地圆顶，以提供空间，以及一个围绕边缘建造的离心机，用于生活或锻炼需求。居民将在离心机中花费足够的时间来保持健康，但可以在其余时间里工作和享受低重力。我们几乎没有关于零重力和 1.0 之间需要多少重力的数据。我们知道身体在零重力下会随着时间的推移而退化。因此，最坏的情况是，人们需要在某种类型的 1 g 离心机中花费大部分时间，但这个问题需要更多研究。
大型栖息地可以从预制的部分组装而成，这些部分可以从其他地方运来，或者使用当地的结构元素进行生产。在月球表面还没有足够的容纳人员的设施之前，通过遥控机器人完成大部分工作是有意义的。月球轨道上的空间站或附近的拉格朗日点将拥有短的通信时间。这可能比从地球进行实时控制效果更好。由于自然环境对人类来说是恶劣的，安全是重要的设计因素。这将包括多层和隔间来容纳大气，以及多个地点的紧急呼吸装置。它还将包括安全装置或多套生命维持系统。即使在电源或设备出现故障的情况下，安全装置设计仍将支持居民生存，尽管其能力或持续时间会降低。已证明植物可以在零重力下生长，因此有可能在月球的自然重力下种植食物。需要进行研究以确保其可行性，并且不会对食品产品造成问题。我们还需要确定是否可以使用或是否需要月球土壤，为植物提供非正常日长照明，以及如何供应有机物和其他植物营养素。
月球轨道运输包括在这个轨道区域的基础设施和系统。那些建立在地球轨道等先前区域的设施，将被分配到各自的项目阶段。
可重复使用着陆器 - 月球早期着陆缺乏基础设施支持，因此需要高推力化学火箭来穿越月球引力场。对于降落到地表的运输，含碳小行星包含高达 20% 的碳化合物和水。这些物质可以通过化学反应重新生成碳氢化合物和氧气，这是一种常见的火箭燃料组合。它们将在高轨道位置生产，那里全天候有阳光提供能量。一台电动拖船将其高效地运送到月球低轨道。然后，一个推进剂库将装载一个可重复使用的着陆器，将人员和早期货物送往地表。氧气是月球上最常见的元素，人们研究了许多从氧化物矿物中提取氧气的办法。一个为返程旅程加油的制氧厂可以将往返旅程质量比从 2.9（LOX/CH4）降低到 1.96。这将每次运输的有效载荷从约 25% 提高到约 40%。
轨道拖船 - 这些拖船对于在月球轨道内进行高效运输，以及在这些轨道与其他区域之间进行运输是必不可少的。前往高轨道和低轨道区域的运输可以消耗相对较少的能量。在某些情况下，月球可以被用作引力辅助来降低轨道，并使用气动减速来降低远地点。引力辅助也可以用来从地月系统中逃逸，但向上的运输通常需要更多推进力。引力和阻力在改变月球周围的轨道方面没有帮助，但总速度要求相当低。我们预计大多数推进将是电推进。轨道拖船很可能首先在地球轨道上开发，然后直接复制用于月球用途。
月球天钩 - 月球玄武岩和来自小行星的碳可以被制成高强度纤维。这些纤维可以用于一个大型旋转结构，称为“天钩”，其中旋转顶端的旋转速度抵消了部分或全部轨道速度。对于轨道速度为 1564 m/s（对应于 262 公里的高度），半径为 250 公里的天钩在顶端产生 1.00 个 g，同时抵消了轨道速度。那么旋转的最低点将位于地表上方 12 公里，这可以避开任何山脉，并允许不规则的引力场存在。然后，车辆可以抵达并在零水平速度和地表以上 12 公里 +/- 着陆点高度的位置被放下。这将需要最少的推进力来着陆和起飞。顶端 1.00 个 g 使船员能够舒适地生活在轨道上，并使用极少的燃料进行往返月球表面的旅行。一个倾角为 86 度的“冻结”轨道可以最大限度地减少轨道扰动，并允许进入月球表面的几乎所有区域。但是，它限制了特定地点可以访问的时间。赤道轨道将具有更频繁的访问次数，但覆盖的表面区域更有限。与地球不同，月球自转非常缓慢，因此其自身旋转对进入轨道的帮助可以忽略不计。
一个轨道天钩只有在往返月球表面的交通量大到足以证明其经济价值时才有意义。在最初阶段，这将是不可能的，而从地表运输的散装材料可以帮助其建造，因此它不会立即被建造。建造天钩需要一次性支付质量成本，但之后它可以节省大部分所需的着陆器推进剂。天钩可以逐步建造，并在完工前提供部分节省，这会影响经济效益。在旋转的另一端，顶端的运动速度超过了月球逃逸速度，因此可以通过选择释放半径和时间将车辆发送到各种轨道。捕捉和释放车辆会影响结构的轨道，但如果交通方向平衡，它是一个暂时的变化。可以在中心提供压载物来减少轨道变化，并且无论如何，零重力活动可能在那里积累。如果一个方向的交通量大于另一个方向，则可以通过电推进来弥补差额。由于已知低重力有害，因此轨道离心机可以使船员大部分时间生活在正常重力下，并通过短距离通信遥控操作设备。同时，离心机可以方便地在需要时进入地表。它不是纯粹的运输系统，而更像是一个空间港口，类似于地球上的机场是周围活动的枢纽。