基地在月球南極的隕石坑

NASA的阿提米斯(Artemis)計畫預計會在2024年重返月球，同時會把基地設在月球的……南極!

為什麼是南極？

因為要考慮兩大關鍵因素，能源與水。要盡可能獲得長時間的太陽能以為基地提供能源，中和極端氣候；同時要有長時間的黑暗來保存水冰(water ice)。

太空人在月球南極活動示意圖

月球南極的隕石坑滿足了這個條件，既有長時間的日照，又能保存水冰。先談談地球，地球的自轉軸和黃道面傾斜了23.5度，夏至時，太陽直射北回歸線(北緯23.5度)，這天是北半球日照最長的一天，北半球為夏季而南半球為冬季；冬至時，太陽直射南回歸線，南半球為夏季而北半球為冬季。因為地球自轉軸的傾斜，所以有了四季的變化。

但月球的自轉軸和太陽只傾斜了1.5度，所以月球不會有四季的變化。那月球南極的日照情況如何? 由於日照角度過於傾斜，只有隕石坑的邊緣照得到太陽，坑內終年漆黑一片，非常寒冷，甚至可以達到攝氏零下235度。在南極高山上看太陽，太陽會沿著水平線移動，好似一隻平放在桌面上的手電筒。

要注意的是降落地址要和基地隔至少一公里，因為登月器揚起的灰塵和礫石可能會遮蔽太能板或損壞一些科學儀器。除了間隔一公里外，最好也要有高度差才能把影響降到最小。月球的南極剛好位於月球的近端(Near side)和遠端(far side)的交界處，這兩個半球在地質上差異非常大。月球的遠端承受了大量撞擊，充滿了隕石坑，同時也有比較厚的「月陸殼(Lunar crust)」。所有地形地貌必須盡可能保持完整，才不會妨礙了科學的研究。

NASA利用雷射反射和溫度找出月球南極可能有水冰的地點

位於月球南極的Shackleton隕石坑

這個隕石坑直徑大約20公里，深度大約3公里，坑內是永無止盡的黑暗。我們看到螢光黃色的部分是陽光，將陽光透過透過特殊的「向日鏡/定日鏡(Heliostat)」反射到坑內，一個直徑40公尺的定日鏡可以提供「好奇號」同規格登月車10公里的續航力，同時避免結凍。右上角的小圖是高度的輪廓線。

ICON公司已開始實驗月球上的起飛、降落墊

圓周外圍有引導氣流的設計

至於月球上的營造商，首選是位於美國德州奧斯丁的ICON公司，他們是3D列印建築的先驅，曾經和美國海軍合作，為他們建造軍用車輛停車棚，也在墨西哥建造了一整個3D列印的社區。我們要了解要在月球上蓋房子不可能用火箭載鋼筋水泥過去，那樣成本根本是天價，一定要用就地取材的方式。

這塊月球上的起飛、降落墊有兩層設計，上層是供起飛、降落，下層特殊的造型設計可以引導登月器的氣流，防止激起太多月球粉塵。前面提到基地和降落地點需要有距離、高度的區隔。

圖片中利用水泥材質製作的發射墊直徑大約6公尺，總共需要21小時的列印時間，，7小時用在外框，14小時用在填滿內部。

ICON提供的月球南極基地示意圖

我們可以看到中間那台是SpaceX的星艦(Starship)，它的後面即將降落的是ICON的3D列印機。

如果把3D列印的規模從發射墊慢慢擴大到建築，最終我們會得到一個大型的基地。最後複習一下重返月球的基地選址條件。要有陽光作為能量來源；要終年黑暗以保存水冰；不能在月球遠端以免收不到訊號(目前這個問題中國嫦娥四號的「鵲橋」通訊衛星有解，請參考今年1月份的文章)。

參考資料:

1. NASA’s Artemis Base Camp on the Moon Will Need Light, Water, Elevation
   https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-artemis-base-camp-on-the-moon-will-need-light-water-elevation
2. Lunar Living: NASA’s Artemis Base Camp Concept
   https://blogs.nasa.gov/artemis/2020/10/28/lunar-living-nasas-artemis-base-camp-concept/
3. Temperature, Reflectance Point to Frost near the Moon’s Poles
   https://www.youtube.com/watch?v=OgEHH-qlpLM&t=8s&ab_channel=NASAVideo
4. Nasa want to turn the moon into a lunar science lab: Fleet of robots could terraform the football pitch-sized Shackleton Crater
   https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3153475/Nasa-want-turn-moon-lunar-science-lab-Fleet-robots-terraform-football-pitch-sized-Shackleton-Crater.html
5. ICON AND NASA BRING LUNAR INFRASTRUCTURE CLOSER WITH WORLD’S FIRST 3D PRINTED ROCKET PAD
   https://3dprintingindustry.com/news/icon-and-nasa-bring-lunar-infrastructure-closer-with-worlds-first-3d-printed-rocket-pad-187323/
6. ICON PARTNERS WITH NASA TO DEVELOP 3D PRINTED MOON INFRASTRUCTURE IN ‘PROJECT OLYMPUS’
   https://3dprintingindustry.com/news/icon-partners-with-nasa-to-develop-3d-printed-moon-infrastructure-in-project-olympus-176744/

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