没有阳光的两周，月球基地靠什么活？答案藏在脚下的尘土里！

月亮，承载了人类千年的想象与浪漫。从嫦娥奔月的古老神话，到举杯邀明月的诗意栖居；从伽利略第一次用望远镜窥见月球环形山，到1969年阿姆斯特朗在月球上迈出人类的一大步；从月球车在月面留下第一道车辙，到中国嫦娥五号带回1731克珍贵月壤……如今，这份向往正在变成更加宏伟的蓝图：建设月球基地。2021年，中俄联合发布国际月球科研站计划；美国重启阿尔忒弥斯登月计划，宣布要重返月球并建立永久基地；欧洲、日本、印度等也纷纷加入这场新的太空竞赛。

然而，一个首先摆在面前的挑战是：如何度过月球漫长的黑夜。

长达350个小时的极寒之夜，温度会开始疯狂下跌：-50℃、-100℃、-150℃直到接近零下二百度。而这，就是月球基地必须面对的现实。在月球上，一个昼夜相当于地球的29.5天，白天持续约14.5天，黑夜也是14.5天。当夜幕降临，没有了太阳的照耀，基地的能源供应瞬间归零。更要命的是，月球没有大气层，热量会毫无阻碍地散失到宇宙空间。

若是在地球上，我们可以烧煤、烧油、烧天然气。可在月球上呢？从地球运送一公斤物资到月球，成本高达数十万人民币。如果要靠地球供应燃料度过每个月夜，一个小型月球基地每年仅取暖费就要烧掉天文数字。

太阳能电池板？月夜里它们就是一堆废铁。

核电站？技术复杂，安全隐患大，而且同样需要从地球运送核燃料。

解决的答案其实就在我们脚下，就在月球尘土里。

科学家们发现，覆盖月球表面的月壤，这些经过数十亿年陨石撞击、宇宙射线轰击形成的细小颗粒，它们不仅能储存热量，还能变成建筑材料，甚至能制造氧气和开发水资源。这听起来如同天方夜谭，但科学家们已经找到了将月壤变废为宝的方法。2024年，我国的月壤砖已经搭载天舟八号飞向太空，开始接受真实宇宙环境的考验。美国、欧洲的科研团队也在加紧研发各种月壤利用技术。

那么，这些不起眼的月球尘土，究竟藏着什么样的秘密？它们又是如何成为人类征服月球的关键？

乍一听似乎违背常识。毕竟月壤看起来只是一堆细沙，怎么可能储存热量？原始的月壤确实不是好的储热材料。它松散多孔，热导率只有0.01 W/(m·K)，这个量级代表热量在其中传递的速度比在空气中还慢。关键在于：烧结。

就像烧制陶瓷一样，当月壤被加热到1000-1100℃时，松散的颗粒会熔合在一起，形成致密的块状材料。这个过程让月壤的热导率提高了200倍。烧结后的月壤能够储存大量热能，每公斤可储存0.25千瓦时的热量。

2020年，欧洲科学家通过计算机模拟发现，一个由烧结月壤制成的热能储存系统，在经历150小时的太阳照射后，顶部温度可达1000K（约727℃），而在66小时的月夜结束时，仍能保持420K（约147℃）的温度。这个温差足以驱动热电发电机，为基地提供36瓦的持续电力，足够维持关键设备的运转。

但要把这个设想变成现实，还需要解决一系列技术难题。首先是如何在月球上实现大规模烧结呢。科学家们提出了多种方案：利用聚焦的太阳光、微波加热，甚至激光烧结。其中最有前景的是太阳能烧结，它利用大型菲涅尔透镜将太阳光聚焦，产生的高温足以熔化月壤。

还值得关注的是，这个系统还可以配备保温罩。在月夜期间，用高反射率的隔热材料覆盖储热体，可以将热辐射损失减少50倍，这就使得系统效率大大提高。

接下来到了第二重身份，用来搭建月球暖房

如果说储热系统是月球基地的心脏，那么月壤砖就是它的骨骼。2024年11月，当天舟八号货运飞船与中国空间站对接时，它带去了一批月壤砖。华中科技大学的研究团队发现，通过不同的制造工艺，月壤可以变成性能优异的建筑材料。采用热压烧结技术制造的月壤砖的抗压强度可达500兆帕以上，而我们普通红砖只有20兆帕，这要强上25倍，甚至超过了许多混凝土。

有了砖头，就可以开始搭建房子了，这一步就不得不提到3D打印技术。月球车收集周围的月壤，将月壤送入3D打印机再利用太阳能或微波将月壤熔化，最终逐层打印出墙壁、穹顶等结构。

这种方法的最大优势是灵活性。需要一个新房间，那打印出来。设备需要防护罩，再打印出来。甚至连家具都可以用月壤打印。

接下来，可以说是月壤最神奇的地方，看它如何变出维持生命的必需品。

人类的生存一定是需要氧气的，我们知道太空氧气稀薄，而氧气占月壤总质量的40%，但都以氧化物的形式存在。而月壤，本身就是优秀的催化剂。

在模拟太阳光的照射下，月壤中的钛铁矿、氧化钛等成分可以催化水和二氧化碳的分解，产生氧气。这意味着，只要有水和二氧化碳，月壤就能源源不断地制造氧气。更神奇的是月壤中的钛铁矿。当它与氢气在高温下反应时，会发生一个简单却意义重大的化学反应：

FeTiO₃ + H₂ → Fe + TiO₂ + H₂O

简单来说，就是用氢气得到钛铁矿中的氧，生成水。根据计算，消耗1吨钛铁矿，可以生产0.12吨水。而月球上富含钛铁矿的月海玄武岩中钛铁矿区域面积超过600万平方公里，总储量高达85万亿吨，这足够人类用上几万年了。

在钛铁矿氢还原制水的过程中，每处理1吨原料，除了0.12吨水，还会产生0.37吨金属铁和0.52吨二氧化钛。这些副产品绝非废料。铁可以直接用于制造工具、建筑结构件和机械部件，而二氧化钛则是制造钛合金的原料。钛合金在航天领域的重要性不言而喻，它们强度高、重量轻、耐腐蚀，是制造航天器的理想材料。

月壤中还含有20%的硅元素，主要存在于斜长岩中。硅是制造太阳能电池板的核心材料。月球上斜长岩的分布超过了月球表面的60% ，这意味着月球基地可以就地生产太阳能发电设备，实现能源自给自足。制造1平方米太阳能电池板大约需要400-500克硅，月壤中丰富的硅储量完全可以满足需求。

在月球正面的风暴洋地区，还发现了大量的稀土元素。仅这一区域的稀土元素储量就达到225亿至450亿吨。稀土元素是现代电子工业的基础，从手机到电脑，从电动汽车到风力发电机，都离不开稀土。在地球上，稀土资源的分布极不均匀，而月球上的巨大储量为未来太空工业提供了充足的原料保障。

最值得关注的是氦-3。这种同位素在整个地球上可经济开采的储量仅为0.5-5吨左右，但在月球上却有100万至150万吨。

它是氦元素的一种特殊形式，原子核里有两个质子和一个中子。在地球上，氦-3极其稀有，因为地球的磁场和大气层挡住了携带氦-3的太阳风。而月球没有这层保护，数十亿年来，太阳风中的氦-3粒子直接撞击月球表面，被月壤颗粒捕获并保存下来。

之所以前文说它值得关注，是因为它正是完美能源的关键。

我们知道，太阳之所以能发光发热，是因为其内部时刻进行着核聚变反应，轻的原子核融合成重的原子核，释放出巨大能量。而氦-3聚变不产生中子，只产生带正电的质子。质子可以用磁场轻松控制，不会损坏设备，也没有放射性污染。

那么100吨氦-3能产生多少能量？科学家计算，这些氦-3完全聚变产生的能量，相当于150亿吨煤炭燃烧的总和，足够满足全球数个月乃至一年的电能需求。而月球上可是有万倍于此的能源。

正如400年前伽利略第一次将望远镜对准月球，今天的我们正在用科技将想象变为现实。从神话到科学，从仰望到抵达，从探索到建设，这是人类永不停歇的好奇心和探索精神的胜利。

参考资料

人民日报《从一块月壤砖开始，搭建月球基地（唠“科”）》

张鹏, 刘光辉, 刘欣, 张光, 郑海菠, 代巍, 王之, 牛冉, 薄正, 高铭. 月面原位水资源获取技术与发展趋势[J]. 空间科学学报, 2024, 44(2): 309-317

刘建忠,李雄耀,朱凯,许英奎,杨溢,张敬宜,雷丹泓,罗泰义,凌宗成,王功.月球原位资源利用及关键科学与技术问题[J].中国科学基金,2022,36(6):907-918

李志杰,果琳丽.月球原位资源利用技术研究.国际太空,2017

Fleith, Patrick, et al. "In-situ approach for thermal energy storage and thermoelectricity generation on the Moon: Modelling and simulation." Planetary and Space Science 181 (2020): 104789.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨孙明轩 上海工程技术大学 教授