为了探索太空，科学家准备将月球变成“加油站”

水将是月球上极为重要的资源，可用于宇航员饮水补给、农作物种植，还有可能用于制取火箭燃料。最有可能找到水的区域，是月球表面的永久阴影陨石坑。| 国家地理图片集

无论以何种方式，人类正迈步重返月球。这一次，我们志在驻留——中美两国均计划在月球南极建立专属月球基地。

这一选址绝非心血来潮，据推测，月球南极蕴藏着宝贵的水资源，或以冰态存在，或埋藏于月壤之下，亦或是二者兼具。这些水资源，既能为宇航员提供饮用水、培育太空作物，更能转化为火箭燃料。

将水制成燃料的用途，听起来或许令人称奇，但其背后的化学原理却十分基础。水由氢与氧两种元素构成，二者液化后均可点燃，能为航天器提供强劲且高效的飞行动力。

倘若这项“点石成金”的技术能在月球落地生根，月球南极的价值将远超一座科研前哨站。它将化身为一座自给自足的燃料补给站，自主生产推进剂，不必再耗费巨资从地球运送物资。而这，将为人类远征火星铺平道路。

“月球表面若能量产推进剂，其价值不可估量。”科罗拉多矿业学院（the Colorado School of Mines）机械工程师乔治·索尔斯（George Sowers）如此断言，“水，就是太空时代的石油。”

将水转化为燃料的各项技术，并非科幻小说的空想，它们都已以不同形式在现实中落地，但迄今为止，这些技术仅在地球环境中得到过充分验证。月球南极低重力、极端严酷的环境，与地球有着天壤之别。

“我们完全无法确定，这些技术在月球的特殊条件下能否正常运转。”德国不来梅（Bremen）航空航天中心空间系统研究所研究员保罗·扎贝尔（Paul Zabel）坦言。而要解开这个谜题，唯有通过实践探索。

月球寻水

寻水的第一步，是摸清月球水资源的藏身之处。宇航员尚未亲自踏足勘探月球南极——尽管美国国家航空航天局（NASA）与印度空间研究组织（India’s space agency）的轨道探测器，已证实该区域存在水，但储量或许并不充裕。

月球表面的温差堪称极端：阳光直射时，温度可飙升至121摄氏度；而在背阴地带，温度又会骤降至零下246摄氏度。更关键的是，月球没有大气层的庇护，即便在最寒冷的区域，冰体也会汽化消散，最终逃逸至茫茫太空。

寻找月球水资源是第一步。月球南极（如图所示）备受关注，因为该区域大部分区域常年处于阴影之中，且轨道探测器传回的证据表明这里存在冰体。| 国家地理图片集

在众多勘探目标中，永久阴影区被寄予厚望。这些区域大多是月球表面陡峭深邃的陨石坑，常年不见天日，堪称宇宙中最寒冷的角落之一。

月球与行星研究所高级研究员朱莉·斯托帕尔（Julie Stopar）指出：“这些区域，是我们找到可开采利用的大规模水资源的最大希望。”

不过，千万别指望在这些幽暗的深坑中发现冰川。斯托帕尔解释道：“这里的水并非以冰原的形态存在，而是与月壤混杂共生。有迹象表明地表存在薄霜，但储量十分有限。”

即便这些永久阴影区的陨石坑中真的富含水资源，对宇航员而言，这里依旧是步步惊心的勘探禁区——哪怕配备了高科技月球车运载科研与采矿设备，风险也丝毫未减。扎贝尔直言：“我们能否操控月球车进入这些区域，至今仍是一个未知数。”

月壤制水

但如果月壤中的水资源易于开采且储量充足，人类便可以着手提取。工程师们已构思出多种提取方案，其中多数都绕不开一个核心步骤：加热月壤，将其中封存的水分分离出来。

索尔斯介绍道：“若表层月壤附近的冰储量充足，我们可以直接对表层加热，再通过一个名为‘集气罩’的穹顶装置，收集蒸发的水蒸气。”这些水蒸气会被导入一个名为“冷凝阱”的低温容器，最终凝结成可直接利用的冰。

尽管月球是宇宙中最寒冷的地方之一，但其表面未来或将拥有多元化的热源。利用反射阳光是方案之一。此外，美国与中国均计划在月球部署核反应堆，以此摆脱对太阳能的依赖——毕竟月球南极的日照条件极不稳定，太阳能供电无法保障基地的持续运转。

核反应堆通过核裂变反应产生能量，过程中释放的多余热能，恰好可被用于提取月壤中的水分。近年来，各国航天机构及行业伙伴脑洞大开，研发出多种利用热能提取月球水冰的新技术。

其中一项提案颇具巧思：在加压穹顶装置内，利用火箭发动机挖掘更深的陨石坑，从而获取比其他方法更多的水资源。

美国国家航空航天局的研究重心虽更多偏向火星，但也提出了一项“月壤变推力”的构想：由自主机器人挖掘月壤，运送至加工设施后，通过熔炉加热提取其中的水分。

在众多技术方案中，最具应用前景的当属欧洲空间局研发的“月球水提取装置”项目，且该技术目前已研制出工作原型机。操作过程并不复杂：自主采矿机器人或宇航员，只需将含冰月壤投入装置入口即可。

该项目负责人扎贝尔解释，加热冻结的月岩绝非易事——月球没有大气层，且表面温度极低，热量极易散失。正因如此，月球水提取装置的坩埚设计了搅拌与旋转功能，让月壤受热更均匀，从而高效分离出冰。

分离出的水蒸气会被冷凝阱收集，随后输送至液化器中，准备投入使用。不过，此时的水还不算“成品”：水中仍混杂着极其细微、类似玻璃粉末的月尘。扎贝尔这样形容它的外观：“看起来呈乳白色，就像一杯灰色的牛奶。”

好在项目工程师早有准备，他们设计的净化器效果拔群。“我们已经成功将水净化至可直接饮用的标准。”扎贝尔补充道。

美国国家航空航天局正在研发其原位资源利用试点挖掘机（如图所示，该设备正置于一容器模拟月壤中），用于在月球上开采水及其他资源。这款自主机器人兼具推土机和自卸卡车的功能。| 国家地理图片集

美国国家航空航天局还设计过一款名为RASSOR机器人（即月壤先进表面系统操作机器人）的设备，它是这款原位资源利用型号挖掘机的前身。| 国家地理图片集

电解制气

完成水的提纯后，下一步便是通过电解工艺，将水分解为氢气和氧气。这项技术的原理，是利用电流破坏水分子中氢原子与氧原子间的化学键，从而实现两种元素的分离。

电解技术在地球上已有多种成熟的应用形态，但在太空环境中的验证案例却寥寥无几。不过，多家实验室已在超低温真空环境——模拟月球表面的环境——中对该技术进行了测试。

更值得一提的是，美国国家航空航天局“毅力号”火星车搭载的“火星氧气原位资源利用实验装置”已成功证实，电解技术可将火星大气中有毒的二氧化碳，分解为可供呼吸的氧气。

但即便是达到饮用标准的水，也无法直接用于电解制取氢气和氧气。水中残留的微量化学杂质，会严重影响燃料的纯度。扎贝尔指出，针对月球水提取装置，“我们需要再增加一道精细提纯的工序”。

他同时表示，超高精度的水净化技术在地球上已十分普及，“我们只需对其进行改造，使其适应太空的特殊环境即可”。 

当水被提纯至澄澈透明的状态后，便可通过电解提取氢气和氧气。索尔斯介绍：“最终，这些气体将被液化，以液氢和液氧推进剂的形态储存起来。”

扎贝尔满心期待，希望未来几年内，月球水提取装置能被送往月球南极。他说：“如果能在月球上成功制取1升水，作为技术验证的里程碑，这将是一件意义非凡的事。”

廉价燃料

要在月球南极建成真正意义上的“太空加油站”，人类还有很长的路要走。

斯托帕尔感慨道：“我们如今坐拥众多顶尖的工程技术和奇思妙想，当下最需要的，就是有人勇敢地迈出第一步。”首批月球基地建成后，若宇航员的驻留时间仅有数日或数周，他们生存所需的物资基本都需从地球运送。

但从长远来看，这些基地必须实现自给自足——毕竟地球引力强大，发射任何物资都需要消耗巨量火箭燃料，成本高得惊人。

反观月球，它不仅引力微弱，更没有大气层的阻碍。因此，从月球发射火箭，远比从地球发射更容易，成本也更低廉。

既然如此，为何不将月球南极打造成未来太阳系探索的中转站呢？索尔斯给出了一组极具说服力的数据：“若使用月球生产的推进剂，单次载人火星任务的成本可降低120亿美元。”这背后的核心原因，便是燃料消耗的大幅减少。

受益于这种水基推进剂的，绝不仅仅是火箭。扎贝尔表示，这些燃料“还可用于燃料电池，为月球车提供动力”。此外，一些能耗巨大的设备，若使用太阳能供电不稳定，使用核反应堆供电又存在安全隐患，这类设备也可依靠这种燃料稳定运转。

更重要的是，在月球上验证有效的技术，未来也很可能在其他星球上大显身手。实现月球表面的自给自足，本身就意义重大；而对于宇航员驻留火星的宏伟计划而言，这套技术更是不可或缺的关键。