在未来的十年里，全世界多个航天机构将自阿波罗时代以来首次将宇航员送上月球。除了美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、中国和俄罗斯航天局（Roscosmos）之外，SpaceX和BlueOrigin等商业太空实体也希望在发展自己的私人企业的同时，开展支持人类探索的常规任务。随着时间的推移，这项活动可能会引发永久性基础设施的建立、人类的定期存在，以及月球经济的出现。然而，关于人类将如何在月球条件下生活以及需要什么类型的设施，仍然存在许多问题。

为此，奥地利的充气结构专家Pneumocell最近进行了一项研究，以确定轻量级预制结构是否是一个合适的选择。根据这项研究，一系列甜甜圈形状的充气结构，可以以较低的成本被运送到月球，然后在那里充气。这些栖息地将部分埋在月球风化层下，周围有太阳能反射镜，可以将阳光直接射入它们的温室。这种“充气月球居所”为在月球上建立立足点提供了一种经济实惠、高度自给自足的方式。

这项研究由Pneumocell公司首席执行官托马斯·赫齐格（ThomasHerzig）领导，他是一位奥地利建筑师，擅长为极端环境设计自给自足的栖息地。加入研究团队的还有匈牙利德布勒森大学的实验物理学家加博尔·比哈里（GaborBihari）和奥地利科学院（OeAW）的研究员诺伯特·科尔梅（NorbertKmle）博士。该研究是在Pneumocell公司向欧洲航天局(ESA)的开放空间创新平台（OSIP）提交“充气月球栖息地”的想法后，于年至年进行的。

这项研究得到了欧空局“发现与准备”项目的支持，该项目对新任务概念进行设计可行性研究，并帮助欧空局制定探索战略。这项研究的目标是开发一个可以利用月球资源的月球栖息地的设计，即原地资源利用（ISRU），并实现自给自足。这一概念可归结为三个主要步骤，包括：

预制超轻型充气结构。

在结构上覆盖一层风化层以有效抵御极端温度、陨石和宇宙辐射。

利用“向日葵”镜子将阳光直接射入温室。在黑暗时期，电力由电池和/或燃料电池提供。

这些预制结构将被运送到月球着陆点，在那里它们将被充气并覆盖在4到5米的疏松风化层中。在每个栖息地的上方，将竖立起一个桁架，以容纳一个设计用来跟随太阳穿过天空的反射膜。镜子本身由镀银的卡普顿（Kapton）组成，这是一种聚酰亚胺薄膜，能够承受极端温度和振动。这些阳光直射到栖息地，锥形镜子将阳光反射到周围的温室中。

到达那里

预制结构的轻质和模块化结构，使其运输到月球非常划算。在此基础上，Pneumocell公司首席执行官托马斯·赫齐格和他的同事们分析了模块和宇航员可能的运输方式（基于现有或计划中的航天器）。虽然它们表明，SpaceX的星际飞船将能够将所有必要的组件运送到月球，但发射服务也可以由阿丽亚娜-64这样的小型火箭提供。阿丽亚娜-64是阿丽亚娜6号的改进版，有四个固体火箭助推器。

这将与欧洲大型后勤着陆器（EL3）配对，这是一个计划中的飞行器，旨在完成欧洲航天局提出的多种类型的月球任务。他们还表示，实现充气月球栖息地不需要月球门户，尽管它可能是任务的一部分。目前，美国宇航局计划在年之前将“门户”的核心部件——动力和推进元件（PPE）以及“栖息地和后勤前站”（HALO）——送往月球，并与SpaceX公司签订了合同，由其提供猎鹰重型火箭的发射服务。

栖息地选址

当然，地点选择必须在任何任务发射前进行。因此，托马斯·赫齐格和他的同事们首先考虑的是月球两极附近的最佳地点。这项研究使用了美国宇航局月球勘测轨道飞行器（LRO）的数据，以及基于以前月球地质研究的照明模型（Glaseretal.、）。他们确定了两个最佳位置，即南极附近沙克尔顿（Shackleton）陨石坑和德格拉什（deGerlache）陨石坑之间的C1“连接脊”，以及北极附近欣谢尔伍德（Hinshelwood）陨石坑边缘附近的H0区域。

这些地点提供了最佳的照明条件，并且靠近永久阴影区域（PSRs）或火山口底部，可以获得丰富的近地表水冰。这与美国宇航局最近确定的阿耳特弥斯III号任务的13个潜在着陆点的名单是一致的（其中包括沙克尔顿陨石坑的边缘，这是基于LRO的数据）。然而，托马斯·赫齐格和他的同事指出，地形可能过于陡峭和崎岖，而且地面可能存在机械不稳定。

研究小组还根据这些地点接受太阳照射的情况对其进行了评估，在表面和太阳镜的高度分别创建了10米和20米的照明剖面。他们计算出，在北极的H0站点，最长的不间断完全黑暗的时间是11天，而在南极的C1站点，只有4天。在这两种考虑之间，北极的地点在结构上似乎更合理，而南部的地点提供了更好的机会，更好的照明。

月球栖息地

每个栖息地都由房间模块组成，可以与其他房间模块连接，以扩展栖息地，并增加工作人员的总容量。关于建筑材料，该团队研究了几种可能性，并建议使用碳纤维增强聚合物（CFRP）。他们特别推荐使用热塑性聚氨酯（TPU）或聚酯薄膜（Mylar）来制作栖息地墙壁，用Dyneema（一种由聚乙烯层压在两片聚酯之间的复合材料）来制作支撑镜子的管子。

上图：此处显示的是ArtemisIII的13个候选着陆区域的渲染图。

主要模块是环形（甜甜圈状）温室，其走廊直径为5.2米，总直径为22.2米。这些温室通过隧道系统连接，附加的模块（生活区和工作区）连接到它们的外部。该团队建议从一个温室开始，并随着时间的推移添加额外的模块，以实现以下架构：

我们建议建立一个由16个温室单元组成的“村庄”，这些温室单元呈双线性排列，以减少太阳沿月球地平线移动时镜塔之间的相互阴影。温室、生活区和相连的隧道都是由双层充气薄膜制成的，而承载上层镜子的塔楼是由碳纤维管组成的低重量建筑。此外，走廊的冗余使各部分保持连接，即使某些部分在事故中被摧毁。

为了节省重量，所有的镜子都由镀银箔制成，通过静电充电弯曲成正确的形状。这利用了月球风化层的一个关键特征，即它的带电性质使其粘在所有东西上（并对机械和宇航员的健康构成重大危害）。上部镜子以一定角度放置，以将近乎水平的阳光反射到圆环的几何中心。从那里，它通过一个由两个透明箔片组成的窗户通过锥形镜反射到温室中。

该反射镜系统将能够在月球日提供大约65千瓦的电力。正如他们所指出的，这对粮食生产是必要的，但可能会导致温度问题：

“虽然这种能量对优化促进光合作用是必要的，但如果没有主动冷却散热器，它会迅速使温室过热。在我们的设计中，冷却系统以氨和水作为工作流体。这样，在光照阶段，温室内的温度可以保持在接近26°C。在黑暗时期，主动冷却被关闭，镜像的滚动百叶窗覆盖窗户，以将热损失限制到最低限度。”

接下来，他们考虑了栖息地的生命支持系统和食物生产，以及这些如何成为满足宇航员所有需求的回收系统的一部分。对于大气需求，他们得出的结论是，在0.5巴的压力下，35%的氧气、64%的氮气和1%的二氧化碳（CO2）的混合物对温室是理想的。这与地球略有不同，按质量计算，地球由23%的氧气、75.5%的氮气和0.06%的二氧化碳组成，在海平面上的气压为.千帕（1.01巴）。

上图：充气月球栖息地概念。

整个系统由太阳能驱动，是周期性的，温室植物通过光合作用代谢二氧化碳，并产生氧气作为副产品。这不仅能补充宇航员的氧气供应，还能防止宇航员呼出的二氧化碳积聚。与此同时，不可食用的植物废物和粪便被制成堆肥，形成天然肥料，帮助保持土壤健康。在黑暗时期，过量的二氧化碳被暂时储存在低温容器中，并在白天重新引入。这就相当于创造了一个闭环的生物生态系统，正如托马斯·赫齐格和其研究团队所描述的那样：

“总之，从长期来看，似乎有可能创造一个封闭的系统，在这个系统中，每个温室单元生产的食物足以养活两个人，而不需要从地球上进口额外的食物。一般来说，我们在小范围内创造了一个我们在地球上应该有的完整的可持续生态循环。”

与其他栖息地相比的成本/收益

作为最后一步，该团队评估并比较了他们的提议，和其他两个最近开发的（欧空局支持的）月球栖息地设计。其中包括，福斯特和合伙人于年提出的月球前哨，以及SOM建筑事务所于年推出的月球村。这两种设计很好地代表了空间栖息地所考虑的元素。月球前哨站由一个由3D打印外壳（使用风化层和聚合物）覆盖的充气结构组成，而月球村则需要预制刚性和部分充气结构。

上图：月球前哨站，欧洲航天局支持的月球基地设计研究。

这两种元素在“PneumoPlanet”栖息地的使用中结合了它们的优点，同时提供了最大的成本效益。正如托马斯·赫齐格和他的团队总结的那样：

“到目前为止，我们的“PneumoPlanet”设计的特点是，每平方米可用面积的有效载荷最低，对宇宙粒子辐射的保护最有效，对建设过程和操作的能源需求最低。此外，它是迄今为止发表的所有概念中唯一一个为自给自足生产食物和氧气提供完整的生态循环的概念。”

简而言之，充气式月球栖息地结合了低运输成本、充气式模块、ISRU和闭环系统等优点，确保在月球上安全、可持续地生活。托马斯·赫齐格和他的同事总结说，应该在地球上建立一个原型，用来研究各种细节和设计的组件。他们特别建议对静电镜面箔的性能、温室内的生命周期、充气箔的材料性能和/或透明箔进行调查。

这些和其他设计研究是欧洲航天局月球探索长期愿景的一部分。与美国国家航空航天局、其他太空机构和商业伙伴一道，欧洲航天局希望建立基础设施，使人类能够在月球上持续存在。特别是，他们表达了建立国际月球村的愿望，在月球引力下，多个国家的宇航员可以一起工作，进行科学操作。年，时任ESA总干事扬·沃尔纳（JanWrner）首次宣布了这一想法，他在接受采访时描述了这一想法：

“我的意图是在月球上建立一个永久性的基站。这意味着它是一个开放的车站，面向不同的成员国，面向全球不同的国家。”

上图：栖息地聚集在月球陨石坑的边缘，被称为月球村。

年，他在瑞士卢塞恩举行的年部长级理事会会议（CM16）上发表了题为“全球合作和空间4.0的愿景”的演讲，进一步描述了这一概念。他说：

“我们今天在空间活动中看到的范式转变，用‘空间4.0’这个词来概括是最好的概括，而‘月球村’的概念试图将这种范式转变转化为一系列具体行动，并创造一个国际合作和空间商业化都能蓬勃发展的环境。

月球村的概念是经过全面分析的，但重要的是要明白，我们所描述的既不是一个项目，也不是一个计划。我们所说的“月球村”并不是指围绕房屋、一些商店和社区中心规划的开发项目。更确切地说，“村庄”这个词在这里指的是：群体在没有首先理清每一个细节的情况下联合起来创建的社区，而只是为了分享利益和能力而聚集在一起。”

这个“村庄”是充气月球栖息地等提案将帮助实现的目标。通过使用预制、易于部署的结构在月球上建立临时人类存在，宇航员和机器人工人可以监督永久性月球基地的建立。这将使月球探索和研究的新时代建立在国际合作、互助，以及政府和工业界之间有利可图的伙伴关系之上。

想要了解更多细节，可以访问Pneumocell的网站，了解有关充气月球基地和其他概念的更多信息、图片和视频。

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