谢和平
湖南双峰人，能源与力学专家，1982年毕业于中国矿业大学数学 与力学系，2001年当选为中国工程院院士。深圳大学特聘教授，深圳大学 深地科学与绿色能源研究院院长，四川大学原校长，教授，博士生导师。国务院学位委员会委员、中国科学技术协会常委。国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人。长期致力于采矿工程、矿山工程力学、绿色能源开发利用及深地科学领域的基础研究与工程实践，特别是破断煤岩体力学研究方面具有突出成果。在中国最早建立了矿山裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了矿山裂隙岩体损伤力学研究新领域。1982年起，创造性引入分形方法对裂隙岩体进行非连续变形、强度和断裂破坏研究，并与损伤力学结合，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域。近年来，在深地科学探索领域，包括深地固体资源流态化开采、地热能开发与中低温地热发电、地下空间开发利用、海水能源化及深地医学等领域提出了创新性理念与构想，并在绿色能源、低碳技术与二氧化碳矿化及综合利用技术领域进行了深入探索，取得了重要进展。谢和平院士为国家“973”项目首席科学家（2次）、国家自然科学基金委创新研究群体首席科学家。荣获首届“中国青年科学家奖（技术科学）”、何梁何利科技进步奖（技术科学奖）、国家 自然科学二、三等奖、国家科技进步二、三等奖，均为第一获奖人。被英国Nottingham大学、德国Clausthal工业大学、 香港理工大学授予“荣誉博士”学位，获牛津大学授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号。
原文来源
Xie Heping,Zhang Guoqing,Li Cunbao.Scheme of underground space utilization of lunar thermostatic layer[J].Advanced Engineering Sciences,2020,52(1):1–8.[谢和平,张国庆,李存宝.月球恒温层地下空间利用探索构想[J].工程科学与技术,2020,52(1):1–8.]
摘 要
开展月球资源探测与地下空间利用是人类探索月球、将月球纳入人类活动范围的重要举措。本文从月球 地质结构特性及月球表面温度变化特征入手，综合考虑月球纬度、月壤/月岩导热性能等要素，针对月球恒温层 的恒温特性及随纬度变化的温度涵盖范围，提出了在月球恒温层开发月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月 球生命体存储、月球原位热能存储等月球地下空间利用构想。针对所提出的月球恒温层利用构想，设计了月球地 下人类基地空间支护与搭建、基于电磁技术的月球地下飞行式轨道交通、可温度调节式月球战略储备库、基于月 岩/月壤导热差异的原位热能存储等技术实施方案。基于上述构想及技术方案，本文系统总结了月球恒温层地下 空间利用需突破的技术挑战和面临的关键科学问题。本研究将为未来建立月球人类基地及月球地下空间利用提 供技术参考。
关键词
月球恒温层；地下空间；月球基地；轨道交通；热能存储
引 言
月球作为地球唯一的天然卫星，其独特的区位 特征，使其成为人类进行深空探测的前哨。开展月球 资源探测及地下空间智能利用是建立月球人类基地、将月球纳入人类活动范围的重要举措。美国、前苏联等航天强国从20世纪60年代起开展探月工程， 目的是探索人类未来空间，获取资源、能源，揭示月球、地球及太阳系的起源与演化。从1959年起，前苏 联成功发射24个Luna系列月球探测器；1961年起，美国开展阿波罗探月计划，试验了17个阿波罗探测器[1]；2019年，中国“嫦娥四号”实现了人类首次月球背面软着陆。此外，欧盟、日本、印度、以色列等国家也相继开展了月球探测工程。
在月球探测工程中，月球取芯是一项重要任务，通过月球取芯，可研究月球地质特征。前苏联Lunar16、 Lunar24探测器实现了无人自动取芯采样，美国Apollo工程载人登月通过人工取芯共取回382 kg的月壤[2–3] 。通过对探月取芯获取的样本分析研究，发现了月壤中矿物成分多达20余种，并获得了月壤/月岩的物理成分及特性，如导热系数、热容参数等[4–5]。但目前各国月球取芯计划很难突破月球表层，故无法真实了解月球深部地质条件。大深度月球钻探取芯是了解月球地质结构、获取原始太阳辐照信息、开发月球资源、建设月球基地的重要保障。
月球表面微重力、近真空、极端温差及超低热导等极端环境，无法为人类提供良好的生存环境[6–7] 。月壤由于其极低的导热系数，使得月壤1 m左右深度以下存在一个恒温层，温度长期保持在250 K（–20 ℃）左右[8] ，可以为人类生存提供适宜的温度环境。本文 设想，未来人类在月球建立人类活动基地的最佳选 择应位于月球表面以下。但对于月球地下空间的利 用及资源开发，目前并没有明确的发展方向。
综上所述，当前月球地质结构研究存在着月球深部地质信息未知和月球深部利用不明确的困境。月球深部信息未知主要受制于大深度月球取芯的技术瓶颈；月球深部利用不明确主要因为地月输运系 统尚未成熟完善，人类尚未思考怎样开发月球地下空间。随着人类科技发展，地月输运系统技术不断成熟完善，商业航天的加入将使得地月输运成本不断降低。在此趋势下，开展月球地质条件及月球恒温层 地下空间利用预研，对于中国在新的探月热潮中博得先机、为人类开发月球资源提供中国方案、提升中国深空/深地探测能力与水平具有重要意义。
本文在调研月球地质及自然环境基础上，提出月球恒温层地下空间利用构想，并对相应构想进行技术方案设计。相关探索研究将为未来月球地下空 间利用及人类月球基地建立提供技术方案，可为中 国建立地月空间经济圈[9]、将月球纳入人类活动范围 提供技术支持。
1 月球地质及温度条件
除了极少数非常陡峭的撞击坑和火山通道的峭壁可能有裸露的岩石外，整个月球表面都被月壤覆盖，在月海区平均厚约5 m，月陆区厚约10 m[8]。月壤主要由碎石、岩屑、玻璃质、角砾等组成[10] ，结构松散、导热系数很低，最上面约3 cm的月壤是真空粉[11] 。相对于月岩，月壤导热系数较低，热流参数对比见表1。
月球自转周期为29.5 d，月昼月表温度升到127 ℃，月夜月表温度降到–183 ℃[12]，月球表面的热量主要来源于太阳辐照[13]。与地球类似，月球不同纬度地区受到的太阳辐照角度不同，月表温度亦存在较大差异（图1）。
图 1 月表温度随月球纬度变化曲线图[8,14]
月球表面纬度划分及内部结构见图2。月球深部则受到太阳辐照热量传导及月球内部热流（FeO TiO2）的综合作用。月球内部热流作用相对于太阳辐照对月球地下温度影响较小，一般可忽略其影响[15]。
图 2 月球表面纬度划分及内部结构示意图[16–17]
受太阳辐照角度影响，不同纬度地区月球地下恒温层温度亦不相同（图3），其数值近似等于所在位置月表温度的周期平均值。月层温度与月壤深度间关系表达式如下[8]：
式中，a=k/(ρc)为月壤的热扩散率，A为月表温度波动幅值，w为月表温度波动圆频率。
图 3 月球恒温层不同深度温度变化图[8,18]
由式（1）可知，月层温度以余弦规律波动，波动幅度随深度的增加以指数规律变小，相位则随深度增加相对滞后。由于月壤的热扩散率a很小，月层的温度波动随深度的增加迅速减小，月表以下1 m深度处的温度波动不到0.01 K，1.3 m深度处温度波动幅度近似为0，可以看作到达恒温层。
2 月球恒温层地下空间利用探索构想
月壤的低导热系数使其具有良好的隔热与温度保持效应。在其作用下，月表以下随着深度增加，其内部温度受太阳辐照影响迅速减弱。在月表一定深度以下，温度保持恒定，形成了一层恒温层。月球恒温层温度随月球纬度变化，涵盖了（–170～–20 ℃）的温度范围，可满足多种低温存储需求。在地球上无法找到相似的自然条件，因此在进行超低温存储时只能通过液氮等制冷装置及制冷剂来实现，相应低温条件的保持需耗费大量的能源。
月球恒温层因其恒温环境，为人类在月球生存及活动提供了相对适宜的环境。根据月球恒温层温度涵盖范围及地质条件，本文构想可开展以下应用研究：月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球生命体存储以及月球原位热能存储（图4）。
图 4 月球恒温层地下空间利用构想
2.1 月球地下人类基地
通过在月球低纬度地区开发月球恒温层，可建立具有适宜人类生存温度的月球村。本文构想可在月球地下恒温层开发人类居住空间、娱乐空间、活动空间等，如图5所示。关于月球恒温层地下人类活动基地建设，可采用3种方式：1）利用现有的月球洞穴；2）在月球表面搭建月球建筑，外表人工覆盖月壤进行温度保持，人为制造月球恒温层；3）在月球恒温层进行人工挖掘，开发月球恒温层地下活动空间。
图 5 月球地下空间构想
月球洞穴主要产生于月球地质活动，如火山岩浆流过而形成。日本航天局于2009年首先发现月球上的地下洞穴；此后，印度在接近月球赤道的月球风暴洋区域，发现了一个长超过2 km、宽360 m“巨大的地下洞穴”[19]。上述洞穴呈现月球熔岩结构，洞穴内具有良好的环境控制机制，较适宜建立月球人类基地，并极大地减少月球人工挖掘成本。但月球熔岩结构洞穴位置固定，无法满足人类在月球特定位置建立人类月球基地的需求。
人类可在月表构筑月球建筑，通过在建筑外壁覆盖月壤人为构造恒温层亦能实现月球人类基地的恒温保持。其位置可自由选择，构筑过程中减少了土石方开掘成本。但月球表面极端环境，不适宜人类活动及货物月面输运，此外，月壤覆盖物容易滑落而暴露人类月球基地建筑。
通过人工挖掘建立月球恒温层地下空间的方式是未来月球人类基地较理想的构建方式。本文构想可将月球恒温层地下人类基地设置于月壤层之中，人类基地可以设置多层，需要支护措施，但挖掘成本低。
本文提出月球地下人类基地构建的具体技术方案如下：月球恒温层地下空间的支护采用梁柱框架式支护方式（图6（a）），支护梁柱可通过风化层月尘3D打印方式原位生产，月壤的3D打印已有相应技术[20]。月球地下人类基地空间内部可设置成拱形（图6（b）)，拱形房顶将上层月壤载荷通过拱圈传递给支柱，极大地减少拱圈内壁的拉应力，促使结构更稳定。月壤锋利的外形具有更好的咬合作用，在承压下具有较好的稳定性，月球地下空间墙壁可以通过锚喷支护技术喷涂特制水泥砂浆进行固结。月球地下人类基地与月球表面的交通可通过垂直升降梯实现，升降梯在月球表面裸露部分可覆盖月壤以提供温度保持。由于月壤具有良好的隔热特性，故月球人类基地空间内壁除了固结之外无需特殊强化处理，但可内饰密封性好的复合材质层，将月球人类基地空间构建成类似密封舱的结构，其内填充氧气及压力，为人类基地居民提供更好的生活环境。月球人类基地间的交通及货物输运可通过月球地下真空飞行式轨道交通设施来实现，其同处于月球恒温层，可以实现水平对接。
图 6 月球地下空间结构方案示意图
2.2 月球地下轨道交通
由于月球表面恶劣的自然环境，在月球表面进行长距离运输对于运输工具环境适应性及可靠性提出了极高的要求。与月球表面不同，月球恒温层由于其恒温特性对长距离运输工具的要求相对较低。因此，本文提出在月球恒温层进行长距离运输的月球地下真空飞行式轨道交通构想，并设计在月球恒温层开发地下轨道交通设施的技术方案，用于月球人类基地及月球设施之间的人与货物输运，见图7和8。
图 7 月球地下真空飞行式轨道交通设施横截面示意图
图 8 月球地下真空飞行式轨道交通运行示意图
月球地下真空飞行式轨道交通构想的技术原理如下：采用磁浮技术将车体浮起并进行导向，磁浮力可作用于整个车身，以便在车体转向时亦能起到支撑作用。月球高真空环境使得车辆运行起来无空气阻力，因此车体本身可不设置动力装置，而采用电磁弹射技术将车体弹射出去，车辆可实现无阻力情况下高速匀速运行。车体截面设计成三角形或其他规则多边形，如图7所示，以防止车体的侧滚，从而有利于车辆运行过程中车体稳定。车体与隧道面间由磁力支撑分隔，防止车体在运行中与隧道面接触摩擦。月球重力约为地球重力的1/6，用于悬浮车体的磁力相对较小，从而耗费相对较少的能量。
车辆启动时，车体在电磁弹射线圈及挡板作用下进行加速运动，驶出弹射线圈后进行匀速运动。车辆到站时通过电磁制动线圈及制动挡板实现减速制动，车体由电磁线圈磁力锁定，进行上下客/货物操作。再次启动时电磁制动设施移除，由电磁弹射挡板配合弹射线圈再次将车体弹射出去。车体的速度取决于电磁弹射力的大小及作用时间，制动过程为弹射过程的逆过程（图8），车体电磁弹射速度可表示为[21]：
车体在月球地下隧道飞行过程中由于磁浮支撑，且飞行过程中无空气阻力，故整个飞行系统为无摩擦状态，其磁浮润滑状态是一种超滑态[22]，这将极大地减少车体运行过程中的阻力，从而为车体无动力运行奠定基础。
2.3 月球生命体存储
月球作为地球的唯一天然卫星，地球的重力梯度使月球永远以同一面对着地球，即月球被地球“潮汐锁定”。月球的区位优势及恒温层自然条件使其成为地球战略物资储备的理想之地。月球恒温层物资存储应位于面向地球一面，以方便人类对物资存储状态的监测。
2.3.1 月球生物标本/基因低温存储
6 500万年前，一颗小行星撞击地球造成了恐龙及许多生物的灭绝[23]。历史可能重新上演，地球也不是绝对安全的。此外，气候变化亦造成地球上大量生物的灭绝。因此，本文构想利用月球恒温层的长期低温及高真空环境，在月球构建地球生物标本/基因库，实现地球生物信息的备份。
2.3.2 月球人体冷冻
人体冷冻术，设想将人体冰冻起来，直到人类发明了重生技术或攻克了某种疾病后，再让他们苏醒[24-25]。人类冷冻术主要用于人类的长期生存及未来的星际旅行。目前人体冷冻使用液氮罐储存人体，罐内安装生产液态氮的装置，通过液氮将人体速冷到近-190 ℃的低温[26]。月球高纬度地区恒温层温度可保持100 K左右，且月球上无大气及微生物，可实现人体的超低温恒温保存。因此，本文构想在月球适宜纬度的地下恒温层构建人体冷冻库，实现人体的长期冷冻保存。
2.3.3 月球战略物资储备
人类面临着战争与自然灾害双重威胁，进行战略物资储备是抵御灾害的必要手段。在月球进行战略物资储备，可以有效避免大范围自然灾害及战争造成的物资紧缺。本文构想在月球恒温层进行战略物资储备，以实现物资的长期备份。例如，可建立月球恒温层冷冻肉、粮食以及其他重要物品、关键信息的长期储存备份。同样，由于其低温、恒温及高真空环境，可实现战略物资的长期保存而不必担心其腐烂。
2.3.4 月球战略储备库
为了实现以上提出的月球生物标本/基因低温存储、月球人体冷冻以及月球战略物资储备，本文构想在月球恒温层中建立月球战略储备库。其技术方案如下：月球战略储备库由导热材料制成的壳体包裹，外壁再由月壤包裹，储备库的一端侧壁与月岩接触，如图9所示。
图 9 月球战略储备库原理示意图
通过控制月岩与月表环境的接触在必要时对储备库进行温度调控。月岩与月表环境的联通由温度调控阀门控制，温度调控阀门的工作原理如图10所示。其为一推拉板式结构，当在推拉机构控制下导热板与两端月岩联通时，月岩与月表环境导热联通，进行热能存储。当在驱动装置作用下隔热板与两端月岩联通时，月岩与月表环境热量隔离，实现热能保持以确保其恒温需求。
图 10 月球战略储备库恒温调控阀门原理示意图
2.4 月球原位热能存储
月岩和月壤具有不同的导热系数，虽然月壤导热系数很低，但月壤之下月球岩石的导热系数相对较高，其数值约为月壤的1 000倍。本文构想通过月壤与月岩导热系数的差异实现月球原位热能存储。月壤极低的导热系数为热能的保存提供了良好的隔离，为此通过将月岩埋入月壤中（或者直接利用填充在月壤中的月岩）来构建月球原位热能存储装置。月昼时对月岩进行加热存储热能，月夜时释放热能进行利用，如图11所示。其中，热能的存储和释放可以通过温度调节阀门控制，温度调节阀门的工作原理如图10所示。
图 11 月球原位热能存储原理示意图
3 面临的挑战与科学难题
上述月球恒温层地下空间利用构想及技术实施方案为未来开发月球资源及建立月球人类基地提供了参考，但具体实施过程还面临着许多技术挑战。归纳起来，需突破的关键技术与挑战包括：
1）明确月球地质条件及纬度条件对恒温层温度保持的影响。
月球恒温层的温度保持依赖于月壤的低导热率，月球内部的岩石及钛铁矿分布都会对恒温层的温度保持产生影响。此外，月球纬度不同导致月表温度的差异，也直接影响月球恒温层的温度变化。因此，需要深入研究月球地质条件、地质成分以及月球纬度条件对月球恒温层温度保持的影响，根据温度需求选择适宜月球恒温层温度长期保持的地质与纬度条件。
2）地月运输成本过高，如何充分利用原位月球资源。
目前，地月运输成本过高，运输系统尚不成熟，极大地制约了月球资源与恒温层地下空间的开发利用进程。可预见地月运输成本将会是未来月球开发的主要制约因素，在此背景下，月球原位资源获取利用成为了优先选项。月球原位资源获取主要包括月球人类基本生存资料的获取，例如，月球原位氧气制备、水的探测与制备、月球人类食物制备及所需的植物生长等；还包括月球原位生产资料的制备技术，例如，原位建筑材料3D打印、原位生产工具制备等一系列技术。
3）明确月壤/月岩成分对月球恒温层温度传导及保持的作用。
月壤粒径及配比、钛铁矿等热源分布以及月岩成分等因素会影响月球恒温层温度的保持。鉴于现有月壤研究只反映月球局部信息，需要借助月球遥感数据分析月球上月壤/月岩的成分组成，并对月球上存在的月壤/月岩不同成分配比进行温度传导与热流分析研究，以明确月壤/月岩成分对月球恒温层温度传导及保持的作用。
针对上述月球恒温层地下空间利用面临的关键技术挑战，需要解决的关键科学问题包括：
1）太阳辐照角度变化与月壤温升关系建模与仿真；
2）原位资源获取中关键元素提取与资源制备原理；
3）月壤/月岩混合配比下热量传导机制及控制。
解决上述关键科学技术问题，将为月球资源探测与恒温层地下空间利用、未来建立月球人类基地等领域重大需求提供技术参考与支持。
4 结 论
通过对月球地质条件、温度条件、表面环境及月球恒温层特性的分析评估，本文提出了月球恒温层地下空间利用构想，并设计了相应的实施技术方案，提出了未来面临的技术挑战及科学问题。现阶段研究分析的主要结论有：
1）根据月球恒温层温度随纬度变化范围，可开展月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球生命体存储、月球原位热能存储等前瞻性研究。
2）月球地下的高真空、微重力环境较适宜实施月球地下真空飞行式轨道交通，可通过磁悬浮与电磁弹射技术实现月球地下轨道交通车辆的超滑飞行及启/制动。
3）月球地下恒温环境及月壤地质特性较适宜人类基地的建设；月壤与月岩的导热率差异可用于智能调控月球生命体的恒温需求环境与原位热能存储。
4）月球地下热源和月表纬度对恒温层温度保持的影响、月球原位资源获取、月壤/月岩成分对温度传导及保持的影响是进行月球恒温层地下空间利用需突破的主要技术问题。
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【本文转自公众号：工程科学与技术】
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