Illustration: SOM/SlashcubeEarth Rise: An artist’s rendering shows Skidmore, Owings & Merrill’s vision for an expanding lunar colony.
美国航天局和欧洲航天局的月球殖民地计划要求先进的生命支持系统和宇宙射线的屏蔽。
Skidmore, Owings&Merrill（SOM）是一家以设计和工程闻名的建筑公司。迪拜的 Burj Khalifa 是世界上最高的建筑，这类标志性建筑是该公司的特色之一。但在其纽约市办公室，建筑师们正在为 SOM 的第一次外星任务绘制更引人注目的图纸。该公司正与欧洲航天局（ESA）和麻省理工学院合作设计月球基地。
首席设计师 Daniel Inocente 展示了散布在月球景观中的白色膨胀吊舱的示意图和效果图，这些吊舱由管状走道连接，由机器人、太阳能电池板和宇航员包围，所有这些都由天空中一个可辨认的蓝色球体监控。
这些设想可能永远不会实现，但它们正在帮助欧空局思考未来的可能。月球提供了许多机会。行星科学家想研究它的组成，以了解早期太阳系和地球的起源。天文学家想在遥远的地方建造射电望远镜。医学研究人员想了解人体对长时间处于低重力状态的反应。探险家们想测试设备或生产用于小行星、火星和其他星球的航行的推进剂。
自从 20 世纪 70 年代阿波罗计划结束以来，首次将人们送上月球的讨论逐渐升温。2016 年，欧空局局长宣布了“月球村”，这是一个刻意模糊的愿景，鼓励私人和公共参与者在机器人和人类探索月球方面开展合作。去年，八名中国志愿者在一个名为“月宫 1 号”的模拟栖息地完成了为期一年的停留，以测试生命支持系统。
虽然私营企业不打算很快将人们送上月球表面，但来自 SpaceX 和 Blue Origin 的火箭可能会大幅降低政府的成本。就在几个月前，美国副总统 Mike Pence 承诺将在五年内让宇航员重返月球。
但是在月球上定居下来的人需要专家们先解决掉一些问题。包括：应对恶劣的环境，用当地材料建造建筑结构，掌握生命保障；以及处理一个潜在的致命的复杂问题，目前我们还没有明确的解决方案 –灰尘。
确定月球定居点的三个最重要的因素是，如同任何房地产经纪人都会告诉你的一样，位置，位置，还是位置。SOM 认为最诱人的选择是在月球南极附近的沙克尔顿陨石（Shackleton Crater）坑边缘拥有一块漂亮的土地。
有强有力的证据表明，火山口的永久阴影区域含有古代彗星的水冰，这些水冰有利于饮用、烹饪食物、洗澡、制作混凝土以及分解成氧和氢作为火箭推进剂。
无论他们在哪里建造，太空建筑师和工程师都面临着传统实践者从不担心的限制。当然，月球上几乎没有空气，所以任何栖息地都必须被密封。当大多数太空岩石在地球大气层中燃烧时，月球表面却经常被微流星体撞击。所以建筑物必须能够承受打击。
那里的重力大约是地球的六分之一。这可以考虑大跨度结构，但也需要更多的锚定点。而弱重力使得挖掘变得困难：向下推会把你推上去。在温度极端的地方，栖息地需要有强大的加热和冷却系统，它们所用的材料必须能够承受剧烈的膨胀和收缩。
然后是辐射。太阳不断地释放出高速质子和电子流——太阳风。虽然地球的磁场保护我们不受大多数风的影响，但月球没有磁场，所以它都会撞击地表。更危险的是太阳的日冕物质抛射。这些事件将高能质子和电子的爆发抛向太空。一个强大的辐射能产生几个西弗特——一个西弗特是测量月球表面辐射暴露的标准，如果一个人不返回地球进行骨髓移植，就足以杀死他。如果这种危险不足以忍受，那么月球上的宇航员也将受到银河系宇宙射线的持续照射，这可能会增加他们患癌症的终生风险。
Illustration: SOM/SlashcubeMobile Home: Prefabricated habitat modules designed by Skidmore, Owings & Merrill would be encased inside rocket fairings for launch.
在 SOM 的纽约办公室，Inocente 提出了在月球生境周围的三维印刷墙壁保护生命免受辐射的建议。长期居住者需要 3 米防护罩才能保护他们免受银河宇宙雷击的影响。从地球上运送成吨的混凝土是没有意义的，所以宇航员将就地资源利用，换句话说，他们将使用那里的资源。
在 SOM 的概念中，这些墙将由月球土壤制成，由于缺少有机材料，所以更恰当地称其为表土。这样做的一种方法是 3D 打印墙壁，要么全部打印在它们所“站立”的位置，要么作为砖堆叠时“锁”在一起。一些太空建筑师建议通过一个机器人控制的喷嘴，逐层沉积风化层水泥。
但是，如果水泥混合物中的液体在墙体或砖中的混凝土凝固之前蒸发或冻结呢？欧洲研究人员与建筑公司 Foster+Partners 合作，研究了可以防止这种情况发生的粘合液和注入方法，并用浮土模拟物打印了一面墙。然而，承包商仍然需要将液体粘合剂或特殊水泥粉运送到月球上。
SOM 更倾向于通过热胶喷嘴挤压融化的表土。另一种方法是将加热的表土烧结到接近其熔点的位置，直到其熔化。在 ESA 的一个名为“RegoLight”的项目中，研究人员将阳光聚焦到一束强烈的光束中，并在风化层模拟物表面逐层烘焙砖块。不过，这一过程很慢，而且测试砖块也很薄弱，因此许多研究人员认为，成功的策略将是微波烧结，利用微波炉或微波束来吸附灰尘。SOM 正密切关注烧结研究。
对于相对较低的栖息地，表土可以简单地堆放在金属结构的顶部（留有可供维护的空间）。另一个更具推测性的选择是，将栖息地模块安置在月球熔岩管内，这是一个巨大的空隧道，熔化的岩石曾经流过这个隧道。
表土不仅用于保护建筑物，还用于铺设发射台和道路。美国航空航天研究所（AIAA）空间建筑技术委员会主席 Brent Sherwood 建议在微波炉中烘烤风化层铺路砖。航天器降落在平台上，或是在由这些瓷砖制成的道路上行驶的车辆上，扬起的灰尘会减少。这样道路也可帮助使机器人更容易在地形上导航。“你可以基本上把月球表面想成一个可预测的工厂地面，就像亚马逊的仓库，”他说。
ESA 的太空建筑师 Hanna Läkk 以建筑和纺织技术为背景，提供了一种更为广泛的使用风化层的方法。与合作者一起，她成功地将模拟物熔化，并将其挤出到纤维中，这些纤维可以通过金属框架自动缠绕到纤维外壳结构中。利用这种制作方法，一个栖息地模块可以被放置在一个有编织网的陨石坑中，支撑更多堆在上面的风化层。他们还用机器人制作了这种盖子的微型版本。最后，在未来的任何月球殖民地都可能采用许多使用风化层的技术。
在由月球风化层构成的屏障后面，月球生境模块到底是什么样子的？SOM 正在进行的设计是工程师们几十年来提出的建议的产物，通常用于穹顶或圆筒，有时用于掩埋或半掩埋。
太空建筑师和工程师普遍认为，第一个月球栖息地将类似于国际空间站（ISS）的单位。罗格斯大学的机械和航天工程师、《在月球上建造栖息地：月球定居点的工程方法》（Springer，2018 年）一书的作者 Haym Benaroya 说：“The first-generation technology is a little bit less sexy。”原来的栖息地将某种压力容器覆盖在表土中进行辐射防护，从某种意义上说，是一个埋在地下的锡罐。
据为波音公司工作的 ISS 模块的 Sherwood 说，工程师们已经知道如何制造、测试、发射和修理这样一个单元。他说：“我们从空间站学到的知识是巨大的。”
最后，我们可能会转向充气模块，一旦我们更好地了解如何将它们与刚性结构结合起来，以及如何包装它们以便正确展开，充气模块就可以扩大到更大的体积。总部位于拉斯维加斯的毕格罗航空航天公司（Bigelow Aerospace）授权美国国家航空航天局（NASA）专利，以建造一个充气装置，该装置于 2016 年附于国际空间站进行测试。虽然毕格罗目前仅用于存储，但它仍在继续收集有关其对温度变化、辐射和空间碎片撞击的反应的数据。
在其与欧空局的合作中，SOM 介于罐子和气球之间的东西。它的设计者设计的模块是一个模糊不清的圆柱形，高 9.5 米。它有三层楼，有一个垂直的核心，允许居民在它们之间攀爬。三个充气部分运行模块的高度，并增加所有楼层的生活空间。底层有三个门与相邻单元相连。
Illustrations: SOM/SlashcubeTriple Decker: Each Skidmore, Owings & Merrill habitat would have three levels, with a ladder running through the module’s core.
SOM 还没有决定环境控制系统、生命支持、电力和船员住宿的技术。但是早期让用户参与的常见架构实践应该使其成为一个舒适的居住场所。美国国家航空航天局（NASA）负责监督太空居住概念合同的太空建筑师 Larry Toups 说，工程师有时也需要注意用户体验：例如，废物处理不应该放在厨房旁边。
在设计 burj khalifa 时，SOM 从来不需要考虑一件事，那就是回收尿液。而月球上的第一个生命支持系统可能是“开环”，就像阿波罗任务中的那样：提供氧气、食物和水，并就地处理废物。根据一项计算，每人每年需要 5 到 15 公吨的消耗品，主要是空气、食物和水。
不过，更可能的第一步是像国际空间站那样的物理化学循环系统。空间站收集宇航员的汗液和呼吸中的尿液、废水和冷凝液，然后对其进行过滤，使其可以饮用。一组分子筛（使用二氧化硅和氧化铝的晶体）从空气中过滤二氧化碳，而电解则分解水来产生氧气。
美国国家航空航天局的下一代生命支持（Next Generation Life Support）项目正在研究一些新的方法，但主要技术专家 Molly Anderson：“我们通常不想发明新的化学物质。”大多数国家航空航天局希望提高现有系统的效率。该机构还希望使硬件更轻、更可靠、更容易修复。至于新的玩具，研究小组正在测试一个压缩机的原型，以给太空服的氧气罐充电，利用热分解系统将固体废物分解成有用的元素，以及便携式 DNA 测序仪，以监测表面和水中的微生物。
Anderson 表示，月球至少在一个方面比国际空间站更容易维持生命：重力让你可以洗澡和冲厕所。
月球上生命维持的下一个阶段将是生物再生系统，在这个系统中，生境中的生物提供食物，过滤空气和水，分解废物。ESA 的微型生态生命支持系统替代计划（Melissa）进行了一项实验，其中三只老鼠和一些藻类一次生活在一起六个月。老鼠将氧气转化为二氧化碳，藻类则相反。
我们甚至可以用生物学来建造。ESA 的Läkk 已经用菌丝和植物物质培育出砖块，证明这种真菌既能承受模拟失重状态，又能承受在月球上遇到的辐射。这种本地种植的材料可能会取代表土作为建筑材料。
很可能，我们需要一个混合系统，其中有些食物是从地球运来的。即使科学家对农作物进行基因改造以产生所有必需的营养素，宇航员可能仍然需要各种各样的食物来维持肠道健康。人们也不想每天都吃同样的东西，把植物或藻类变成食物需要大量的加工。Anderson“我们不想特意派遣宇航员到那里去而只是为了成为农民。”
美国宇航局的 Sherwood 同意多样化的需求，特别是如果月球打算吸引太空游客的话。他说：“想拥有一家酒店吗？那你至少需要学会马提尼调酒和煎蛋卷。”但我们对如何在低重力下烹饪知之甚少。
为了让人们能够在月球上生活，SOM 还必须为机器人打造劳动力计划。Sherwood 说：“勘测、表土移动、建筑、资源开采、简单维护，这些都不是人们最擅长的事情。”SOM 预计，机器人将建立一个居住舱，也许是一个食品生产舱，并在任何人进入之前建造表土墙。
但有一个复杂的问题对人类和机器都是致命的：灰尘。数十亿年来，微流星体的撞击使月球表面粉碎，在没有空气或水的地方产生尖锐的玻璃状尘埃碎片，使月球边缘光滑。月球浅层表土质量的 10% 到 20% 由直径小于 20 微米的颗粒组成，像细滑石粉。
这些粒子是由太阳风产生的静电电荷，所以它们悬浮在空中，太小以至于看不见，但可以粘在任何东西上。在阿波罗任务中，经过几个小时的太空行走，灰尘结块的靴子踏板、磨损的宇航服、擦伤的镜片、毁坏的机器、堵塞的空气过滤器、刺激宇航员的眼睛和鼻子。如果吸入，甚至可能导致癌症。
SOM 已经提议在栖息地入口进行除尘，但即使它们使室内变得整洁和宽敞，也无法阻止外部设备的退化。Sherwood 说：“我们知道表土是什么，我们也知道为什么是这样，但没有人知道如何围绕这些环境条件设计一个可持续的系统。”
登上月球是很困难的，呆在月球上会更困难。但是如果工程师和建筑师能够克服这些困难，一个充满可能性的世界就在等待着我们。