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月球开发的工程问题

已有 6373 次阅读 2019-2-17 10:56 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 月球, 太空开发

充分利用月球本地的资源,环境,快速建设一座城市。将需要发射到月球上的物资设备量降到最低。

月球的基本数据:

半径:1737公里;

表面积:3793万平方公里,比亚洲小,比非洲大;

赤道周长:10921公里

逃逸速度:2.38公里/秒;10公里高处环绕速度:1.674公里/秒

表面重力加速度:1.62米/秒平方,约地球的六分之一

赤道表面温度:最低-173℃,最高117℃,平均-53℃

表面气压:白天万亿分之一大气压,夜间千万分之一大气压,几乎是绝对真空

表面岩石主要成分:

image.png

内部结构:

月壳厚度约50公里(地球方向),背面约65公里。

月幔厚度约1200公里,固态岩质,有较多铁。

部分熔融的外核厚度260公里,固态铁质内核半径240公里。


建筑城市的一般考虑:

月球表面没有空气,宇宙辐射严重,还有小流星的伤害,所以城市应该建在地表以下,或者建一个很厚的穹顶。

考虑发射成本高昂,从地球上发射到月球的物资和材料,最好不要超过1000吨,最多不要超过1万吨。

穹顶的考虑:

对于住人的城市,需要一个大气压左右的空气。穹顶必须能够产生一个大气压的压力(也可以大于一个大气压,这样需要下部结构支撑)。在月球环境中,由于重力只有地球的六分之一,因此需要6倍的重物才能产生足够的压强。月壤密度约3克/立方厘米,333厘米乘以6,等于20米,也就是穹顶的厚度必须超过20米。只要厚度足够,下面也有支撑,不一定非要做成穹顶,可以一直铺开很大面积。由于月球的重力小,对下面支撑能力的要求只有地球的六分之一,换言之,支撑之间的距离可以很大,也就是地下空间可以做得很空旷。

20米以上的土壤,有很好的保温能力,穹顶下面气温几乎不受外面的影响,可以维持在一个舒适的温度。

20米的土壤,也可以把宇宙辐射和微流星挡在外面,很好地保护下面的城市。

如果不使用穹顶结构,而直接挖掘隧道,那么可以更深一些,利用隧道穹顶的支撑。

材料的考虑:

在月球上建设城市使用的材料,当然应该全部利用本地资源,也就是月球的土壤,岩石等。如果需要大量使用金属材料,也应该直接利用月球土壤冶炼。

建筑施工方案:

月球表面土壤固结性很差,需要固结才能变成建筑结构材料。

月球表面水非常少,不可能利用水合作用作为固结方案。简单的方法是直接烧结。由于月球表面是真空,阳光非常好,能量密度高,而且散热条件很差,因为没有空气对流,所以可以直接利用反光板聚焦,将月球土壤融化固结。融化的土壤也可以作为粘接剂,切割大块岩石粘合。

切割采用激光切割。月球表面太阳能发电效率很高,激光只需要用电,没有别的材料消耗。月球表面也没有空气耗散激光,激光器可以远距离工作,切割或加工大范围的材料。

月球重力小,就可以很容易地树立非常大面积的反光板,再加上散热条件差,也就是保温好,可以大面积地融化月球土壤,固结土地,平整地面,或者用模具或3d打印制作建筑构件。融化后的月球土壤岩浆,可以用耐高温金属管道抽送到任何一个地方铸造或3d打印各种结构。既可筑路,也可以盖房子。

由于月球的重力小,大件材料的搬运也很方便。

金属冶炼:

在月球的城市建设中,一定也会用到大量的金属材料。这就需要一种便宜的大规模冶金方案。最简单的方式就是电解,对原材料几乎没有什么要求。因为阳光资源特别丰富,我们可以认为月球表面电力供应充沛。月球土壤的构成主要是各种金属氧化物,融化以后电解,直接得到金属和氧气。氧气开始的时候,只能作为废物排放掉,也可以收集起来,埋在地底,供以后城市生活使用。由于月球表面是真空,没有水分氧气等的侵蚀,所有金属都可以直接使用,包括在地球上无法直接使用的钙、镁等。利用太阳能需要大量使用的硅,也可以电解得到,而且月球上表面的真空条件更适合硅单晶生产。用硅,镁、铝、钙等就可以制作大量太阳能板,保障充足的电能供应。

铝是非常好的反光材料。

钠的熔点很低,由于没有氧化的危险,可以作为冷却剂使用。

地下城市建设:

有了充足的电力供应,金属材料供应,建筑材料供应,就可以大规模建设地下城市了。无论是采用穹顶建设的模式,还是隧道掘进的模式,在月球上施工都比地球上简单的多。首先大件材料运输容易得多,丰富的熔融岩浆是万能材料,在城市建成投入运营之前,完全没有空气污染,噪音污染的问题。由于没有地下水,隧道掘进没有地球上施工最讨厌的透水问题,废渣搬运也特别快,特别方便,也可以直接融化成岩浆使用。重力小,对支护的要求低,石头往下掉,都掉得非常慢。融化的岩浆也可以直接涂在隧道表面作为支护。最大的问题是散热,可以使用热管,将热量带到外面去。

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昼夜时间过长问题:
1、城市建在地下。地下可以维持气压和温度,保温非常好,无论外面太热还是太冷,地下温度基本不变。这时候,能源需要远距离供应,可以建设月球全球能源互联网,也可以在月球轨道上建几个空间太阳能电站,用微波将电能传回月表。

2、可以在轨道上建几个大型反光板,轮流将阳光反射到城市的太阳能电站上,维持城市正常运行。

3、月球轨道倾角很小,几乎没有季节变化,北极地区有几个地方常年都能被太阳照射到,只需要让太阳能板不断转向太阳的方向就行,不需要考虑昼夜变化。在刚开始,各种基础设施还不完善的条件下,这几个地方应该作为优先殖民地点考虑。这里不仅太阳永不落山,还有水。与地球的通讯也不会因昼夜变化中断。

4、月球自转很慢,速度最大的赤道位置也只有4.6米每秒(16公里每小时),只有地球的百分之一强。如果只是月面空间站,不太大,由于月球重力很小,完全可以让整个空间站平行纬度方向跟着太阳运动,永远都呆在白天,保证能源供应和合适的温度。当然,与地球的通讯,在转到月球背面时需要轨道通讯站中继。未来保证移动的速度,可能需要修好路,或者轨道。月球白天的时间非常长,有半个月,所以速度不均匀,或者稍微拖后几天都没有关系,只要后面赶上就行。如果移动能力稍微大一点,比如达到30公里每小时,就可以在月球表面非常自由地移动。月球重力小,没有空气阻力,移动需要消耗的能量很少,所以即使60到100公里每小时也是很容易的。这样,可以像地球上的游牧部落一样,在一个地方工作几天,然后追着太阳走一两天,就跟传说中的夸父追日一样。

5、表面殖民点可以带所有的附属设施,如发电站,研究设施,一起组团移动,保持在月球的白天位置。

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电力系统的问题:

建造电力系统的主要原材料都来自月球本地。

月球土壤的成分主要是各种氧化物。除氧之外,最多是元素是硅,其次是铝、钙、铁、镁、钛等。

月壤在太阳能聚焦板加热下熔融,然后电解。电解出来的氧气可以收集起来注入地下,供以后使用。

熔融电解的时候,最早析出的是硅,其次是钛和铁,然后是铝。后面的钙镁钠等不一定需要电解出来,留着做玻璃就行。

硅是太阳能发电板和变压换流器晶闸管的主要原料,用量很大,资源量也很大。

钛可以用来做结构材料。钛的性能很好,在真空环境下采用激光3D打印或者铸造做成各种关键结构材料。

由于缺乏碳,铁的性能不好,可以做成太阳能板背后的散热鳍片。也可以跟别的元素一起做成各种合金。

铝是各种导线的原料。太阳能板,电力输送系统都要用到。铝的资源量也很大。

由于月球上没有风雨,地面干燥不导电。铝制高压输电线可以直接铺在地上。连绝缘都不需要,因为没有动物过来触碰导线。人的活动也肯定穿了宇航服的。只需要注意电线之间的距离。因为没有空气,没有水分,干燥的月壤很难击穿,电线之间的距离都不需要很大。可以适当掩埋,但是并不重要。一定要绝缘的话,可以采用月壤熔融后涂敷。月球上没有软性的材料,也容易被太阳晒坏。由于没有风雨,也不悬挂,因此对导线的没有柔性需求。

裸露的输电网络不会怎么影响以后月球车辆等的活动。有输电线的地方肯定会标记在电子地图上,也很容易直接探测。由于月球重力小,压一两次也没有关系。

由于没有风雨侵蚀,太阳能板硅单晶或者多晶表面不需要保护,可以直接裸露,发电效率更高,也更便于散热。

月球上的电力系统比地球上成本低多了,自动化以后,可以提供极强的能源生产能力,为月球开发和太空探索提供充足的电力。

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月球上地面交通的基本特点:

1、没有空气阻力,运输设备和货物的外形只受运输系统本身设计尺寸限制,不受空气动力学限制。

2、重力小。小车可以干大活。

3、能耗低。没有空气阻力,重力小导致摩擦也小,运输能耗非常低。只用太阳能板就可以驱动。没有空气,太阳能板可以很尺寸很大,方向任意。

4、不需要加油,不需要停下来充电。

5、由于没有风化和水流、冰川等外营力,月面平整度不高。沿地形修建公路和轨道会有很多上下坡。可以充分利用两端坡度势能,一端冲下来,一端溜上去,多出来的能量可以用飞轮蓄能。因为没有空气阻力,而且重力小,车辆对重量不敏感,重力势能也小。(月球上电池比飞轮贵很多)

6、交通系统与地球现有的交通系统有巨大的差别,不一定需要到每一个位置,基本上不需要转运中心。

运输方式:

1、轨道运输:

轨道运输阻力更小。建设轨道运输的轨道可以用铝,铁,钛等月球表面很丰富的元素。土石建材可以用月壤或月岩融化,切块,粘结。

2、抛射方式:

月球表面非常不平整,如果出现很宽的悬崖,因为重力小,没有空气阻力,可以一端抛射,一端沙坑,回收网,甚至轨道接纳,一次抛射距离可以达到几十到几百公里。没有空气阻力,且月球自转很慢(科里奥利效应弱,其实大一点也没关系),意味着可以精确设计抛射轨迹。这种方式特别适合部分货物(矿物,原材料,建筑材料)的运输。

3、公路运输:

月球表面月尘比较黏乎,会粘在轮子上,也造成地面较软,增加能耗,地形也起伏不平,所以如果采用轮式运输,最好还是有一套公路系统。

公路可以用建城市的办法,直接用大型反光板反射日光,聚焦到地面,将地面融化固结。由于月球自转慢,最快的赤道也就每小时16公里,修路机完全可以赶上太阳,一个月顺月球纬度方向修一条环球公路,先沿纬度修,再以停留、赶路的方式沿经度修。其实也可以修任意方向。

由于月球重力小,公路的承载能力要求比地球低很多,所以容易修筑。

重力小带来的一个问题是车辆的抓地力不够,转弯的时候轮子的摩擦力不够,需要在转弯处倾斜公路。抓地力不够,还会引起加速和减速都比较慢。

公路系统、轨道系统、抛射系统可以混合使用。

4、任意月面运输:

轮式车模式。不能任意地形。

长腿车模式。任意地形,如果带抓勾。

蹦极车。任意地形,就是有点颠。

5、入轨与深空运输:

月球必然是太空开发前哨站,将会承担大量入轨运输任务。

入轨方式最简单的是轨道电磁发射,因为没有空气,入轨速度又低(1.6公里每小时左右)。入轨之后再作各种机动。

轨道上还可以设立巨大的接力加速站,将货物直接发射到深空。加速站以轨道高度作为蓄能的手段。接受深空货物的时候,轨道上升,发射货物的时候,轨道下降。




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