第 4.9 節：階段 5A - 月球開發
月球 對任何仰望天空的人來說都是顯而易見的。擴充套件文明的原因與其他地方相同。它們包括獲取新的能源和原材料資源，以升級文明，並實現第 4.1 節 開始列出的其他目標。
但是，由於幾個原因，我們並沒有立即開始開發月球。首先，我們必須穿過低軌道和高軌道區域才能到達那裡，然後導航月球的引力場才能到達更近的軌道或表面。這需要比軌道區域更多的能量和新的運輸裝置。其次，月球表面的條件與周圍的軌道區域或地球周圍的軌道區域不同。因此，表面裝置也需要新的設計。第三，月球的開發得益於先前軌道位置的支援。因此，我們將月球開發的開始推遲到階段 4A 和 4B 開始之後，並且該階段所需的（研發）將在階段 0M 中完成。月球表面大約相當於非洲和澳大利亞的總面積，因此太大，無法一次性開發。一旦開始，階段 5A 將與之前的階段並行進行，隨著時間的推移，軌道和地表都會進行逐步升級和擴充套件。
我們對開發月球的概念探索從描述該地區的特徵和行業調查開始，以確定可能的未來活動。動機、經濟學、技術和先前在其他地方的開發將推動哪些活動能夠啟動以及何時啟動。結合這些資訊，我們可以確定一種開發方法和具體的月球專案，將它們按大致的時間順序排列，並將它們與其他階段和專案聯絡起來。在此過程中，我們確定了階段 0M 所需的研發工作，並在該部分記錄了這些工作。
月球區域包括月球本身，以及平均距離（半長軸）在月球中心 35,000 公里範圍內的軌道。在這個距離上，月球的引力超過地球引力的 50%，是主要的區域性力。由於地球和太陽的影響，月球軌道通常不穩定。月球還擁有過去撞擊產生的質量集中區域，這些區域會產生不均勻的引力場。在這些影響最小化的特定軌道上，軌道可以穩定很長時間。否則，必須使用推進器來修正軌道，或者讓軌道隨著時間的推移而演變。由於月球繞地球執行，月球區域巢狀在我們星球周圍更大的高軌道區域中。
如上所述，月球的水平表面積相當大，為 3793 萬平方公里，約為地球陸地面積的四分之一。這並不包括來自大型地形（圖 4.12-1）以及眾多隕石坑和其他小型特徵的傾斜暴露區域。有關更詳細的版本，請參見USGS 月球地形圖 3316，2015 年。
月球相對於恆星（慣性系）每 27.3 天繞地球-月球系統的中心執行一次，相對於太陽每 29.5 天執行一次，從而確定了月球日的長度。月球每執行一個軌道週期就自轉一次，因此始終保持著大約相同的側面朝向地球。這不是完全準確的，因為月球的軌道不是圓形的，它有一個輕微的剩餘擺動運動，而地球的直徑是月球距離的 1/30。這種尺寸允許根據你的位置，看到不同的月球景觀。繞月球執行的軌道週期從靠近表面的 108 分鐘到該區域上邊緣的 6.8 天不等。該區域的主要環境和資源特徵如下：
溫度 - 月球與地球的太陽平均距離相同，因此來自太陽的太陽輻射 為 1361 W/m2，與地球相同。這種陽光在較低的月球軌道上被月球陰影部分遮擋，並且在月球表面每月迴圈中被遮擋 50% 或更多。月球表面沒有明顯的 атмосфера 來調節溫度變化。暴露在太空和陽光直射下的物體在赤道的溫度範圍可以從 100-400K 到陰影極地隕石坑中的 30K。月球表面被真空隔開的粒子覆蓋，是極好的絕緣體。預計土壤溫度在 30 釐米以上的深度不會比平均值變化超過幾度，儘管白天和黑夜有為期兩週的間隔。赤道地區的平均土壤溫度約為 240K（Vasavada 等人 2012 年），隨著緯度的增加和太陽角度的降低，溫度會更低。來自地表內部的熱流已測得為 0.008-0.03 W/m2，具體取決於位置。地殼中放射性元素的濃度和良好的絕緣效能導致深度方向上的熱梯度有些難以確定，為 10-50 K/km。
軌道溫度主要取決於陽光照射時間與月球陰影時間之間的百分比，以及在給定距離上月球反射或發射的光量。從月球區域看地球大約有 2 度角，因此填充天空的面積不到 0.01%，對熱量貢獻很小。天空的其餘部分是接近絕對零度（2.7K）的宇宙背景，可以作為有效的散熱器。由於軌道可能是橢圓形的並且會隨著時間的推移而發生變化，因此由此產生的熱環境會發生很大的變化。軌道物體的反照率、發射率和熱效能將決定從環境條件中吸收和散失的熱量，以及它們將達到的平衡溫度。
атмосфера 和水 - 如溫度部分所述，月球的 атмосфера 幾乎不存在。它的總質量不到 10 噸，相當於地球大氣層在一個平方米上的質量。如果人們或裝置需要加壓環境，則需要在當地生產或進口氣體。估計每秒約有 50 公斤的太陽風粒子以高速流過該區域。由於這分佈在 38.5 億平方公里的區域上，因此很難收集到有用的數量。估計在極地附近永久陰影的隕石坑中發現了約 6 億噸的水冰。月球表面其餘部分的礦物中含有 10-1000 ppm 的化學結合水。月球乾燥和無氣的狀態是由於其逃逸速度低，加上早期撞擊、潮汐和放射性衰變帶來的長時間加熱。
地面載荷 - 地面強度對於地表結構和運輸而言是足夠的或極好的。月球表面由各種大小的碎石和塵埃組成，這些碎石和塵埃在幾釐米深的地方會壓實，然後可以支撐重物。挖掘、採礦或鑽探將在約 38 公里的深度達到覆蓋岩層的強度極限。低於此深度的深度需要支撐結構。大多數較淺的深度包含斷裂材料，也需要防治移動和坍塌的支撐。
重力水平 - 表面重力平均為 1.625 m/s2，或地球重力的 1/6，根據位置的變化，總變化為 0.0253 m/s2（圖 4.12-2）。軌道上的自由落體條件不會產生有效的加速度。因此，抗重力所需的結構支撐遠低於地球。長期人類健康以及動植物生長所需的重力水平尚未確定，但可能高於自然地表或自由落體水平。地表和軌道上的 人造重力可以透過旋轉產生，否則停留時間可能會受到限制。旋轉產生的離心力將對結構施加巨大的設計載荷。
輻射水平 - 表面和軌道上的未遮蔽輻射水平在 0.1-1 mSv/天的範圍內，這可能在幾年內達到宇航員的終身暴露限值。一次強大的太陽耀斑可以釋放出致命的輻射量，儘管大多數耀斑要弱得多。輻射還會造成裝置的長期損壞和電子故障。輻射主要來自太陽和宇宙背景。月球土壤或地下建築物一米或更厚的覆蓋層可以在月球表面提供安全的輻射水平。各種型別的散裝質量可以在軌道上提供遮蔽。
通訊和旅行時間 - 從地球到月球區域的往返（ping）通訊時間從 2.2 秒到 2.94 秒不等，具體取決於該區域的位置以及月球在其軌道上的距離。這包括如果您與月球背面的區域進行通訊，則需要衛星中繼時間，這些區域無法從地球直接看到。從地球到月球的旅行時間通常為 3-4 天，採用直達轉移軌道。透過電動拖船進行貨物運輸效率更高，但也慢得多。沒有遮蔽或其他緩解措施的緩慢運輸會導致人們在穿越範艾倫帶時暴露在高水平的輻射中。
停留時間 - 人們的平均停留時間會影響運輸需求和所需的居住型別。迄今為止，只有九次有人類前往月球地點的旅行，而且每次只持續幾天。這些旅行是在近 50 年前進行的。這些資料過於稀疏且過時，無法為設計目的建立平均值。未來的專案將需要根據內部需求定義停留時間，直到長期居住建立平均值。
運輸能量 - 從地球表面到達月球區域首先要到達一個高軌道，該軌道與月球的位置相交，然後進入穩定軌道或降落在月球表面。理論上，第一個步驟需要 62 MJ/kg，而進入軌道或著陸則需要高達 2.8 MJ/kg。這些是勢能和動能的理想值。實際消耗的能量取決於運輸方式的細節和效率。從地球的運輸能量與典型產品的 10-20 MJ 嵌入能量或高能化學推進劑的 15 MJ/kg 相比，非常高。這有利於儘可能地進行本地生產。
從月球表面逃逸的速度為 2380 m/s，即地球逃逸速度的 21%。因此，逃逸能量僅為地球逃逸能量的 4.5%。低軌道速度為 1680 m/s，因此逃逸的差異為 700 m/s。該區域上邊緣的軌道速度為 375 m/s，逃逸速度為另外 155 m/s。這些速度和相關的能量相對較低。從該區域進行區域內運輸以及到達高軌道和內太陽系區域就比較容易了。
能源供應 - 太陽在 1 AU 處提供近乎恆定的 1361 W/m2 的能量通量。地球的軌道略微呈橢圓形，而月球的軌道使它比地球更靠近或更遠離太陽。因此，月球區域的可用能量與該值有所不同。在充足的陽光下，這種能量足以每年加工大約 2 噸/m2 的原材料。使用太陽能電池板或聚光反射器收集能量可能只需要 2 kg/m2 的裝置。因此，主要的能量回報率可能非常高。該區域的總太陽能流為 524 萬太瓦，遠遠大於目前全球約 20 太瓦的能源消耗量。月球上的區域性地區含有高達百萬分之十的釷和鈾，這可能對能源生產有用。
月球表面的大部分割槽域暴露在陽光下的時間不超過 50%，具體取決於當地的地形。由於太陽角度較低，較高緯度地區的單位表面積獲得的陽光更少。軌道暴露在陽光下的時間超過 50%，通常隨著高度的增加而增加。軌道上的黑暗期相對較短。表面上的黑暗期持續半個朔望月，即兩週。由於這段時間內無法直接獲得陽光，因此需要替代能源解決方案。可能的方法包括
- 停止執行 - 高功率執行可以在陽光不可用時簡單地停止，並由電池等傳統電源提供最低限度的支援。以下選項之一可以與減少夜間執行相結合，但不能完全停止執行。
- 熱能儲存 - 這利用了大量的岩石和塵埃作為儲存介質，以及天然真空作為絕緣材料。材料在白天被陽光加熱，並利用熱量在月球夜晚發電。
- 核能 - 表面已經沐浴在高水平的自然輻射中，因此核源不像地球上那樣是一個問題。各種核設計都是可能的，具有不同的功率水平，並從地球或當地來源獲取燃料。
- 束縛能量 - 當月球表面沒有陽光時，月球軌道接收陽光。可以使用簡單的反射器、微波或雷射將能量定向到表面，並根據光束目標尺寸與距離的不同而有所不同。
- 輸電線 - 東西輸電線可以將陽光照射區域的電力輸送到黑暗區域。在赤道最糟糕的情況下，輸電線必須長達 2700 公里才能提供持續供電。這是月球周長的四分之一，每個方向有一條線。這些距離非常長，只有在大型開發專案存在時才有意義。陰影隕石坑沒有陽光照射，但隕石坑邊緣可能會獲得充足的功率水平。然後，較短的輸電線或反射器可以將電力輸送到需要的地方。
材料供應 - 月球軌道基本上沒有原材料，因此位於那裡的專案必須進口所需的材料。月球表面的地質情況相當清楚，地質。另請參閱月球與行星研究所的月球手冊（1991 年）以獲取更詳細的資訊。這些瞭解來自許多著陸器和軌道任務，其中一些返回了用於分析的樣本，以及來自月球隕石，這些隕石在撞擊後被拋到地球上。總的來說，表面成分是矽、鐵、鈣、鋁和鎂的氧化物礦物，按元素濃度排列，還有 3-4% 的其他元素。月球表面的成分並不均勻（Lawrence 等人，1998 年），其中鐵、鉀、磷、稀土元素和釷的濃度較高，主要分佈在風暴洋區域。月球上幾乎沒有留下揮發性（低沸點）化合物。它在熔融狀態下形成，然後經歷了許多高能撞擊，以及潮汐和放射性加熱，這些加熱使它在長時間內保持熔融狀態。月球太小，無法維持大氣層，因此揮發性化合物大多逃逸了。在熔融狀態下，密度較大的物質沉入內部，而較輕的礦物質則積累在表面附近。隨著月球冷卻，較輕的礦物質根據熔點結晶，然後根據密度進一步沉入或上升。放射性元素優先集中在表面附近，導致額外的熔化或延長的冷卻。所有這些導致了一個約 50 公里厚的殼層。
由於月球沒有保留任何大氣層，因此它不會減緩進入的物體，而且不會像地球那樣發生風化。透過冷卻凝固的原始地殼後來被大量隕石坑覆蓋並分解，但成分相當未改變。表面覆蓋著一層 2 到 8 米厚的月壤（月球土壤），由原始地殼加上撞擊的小行星組成。這在隕石坑形成過程中被丟擲並混合在一起。細小的月壤與更大的岩石和巨石（圖 4.12-3）交織在一起。由於性質破碎，月壤很容易被收集和移動。由於該層在月球上是全球性的，因此從該來源可獲得約 380 萬億噸的材料。如果這還不夠，或者需要區域性但更深層的礦石，可以使用傳統的採礦技術。爆破通常在地球上用於批次採礦，但使用氮基炸藥。該元素在月球表面供應不足。替代方法包括從其他地方供應氮化合物或現成的炸藥，透過從軌道上引導撞擊來進行人工隕石坑，使用當地岩石和加速器進行小規模壓裂，或使用等離子炬用氧氣作為載氣進行切割，其中氧氣是月球地殼中最豐富的元素。實際採礦的最大深度受覆蓋岩石壓力和地殼溫度梯度的限制，但應該在幾公里範圍內。因此，其原材料數量將比月壤層多出約一千倍。
我們可以透過檢視所有地球產業類別，並找出未來有可能在那裡運營的類別，來制定一份可能的月球活動清單。我們可以在此基礎上新增任何對月球區域獨有的活動。現有的行業按北美產業分類系統 (NAICS)進行統計分類。我們將使用它們的編號系統和順序進行我們的調查，並將獨特的月球專案插入最合適的地方。
11 - 農業: 當地農業將發揮作用，前提是該地區的人類和其他生物需要食物，並且可以避免從地球或其他太空地點運輸。植物也可以回收人類的廢棄物，同時生產食物和其他有用的產品。月球軌道上可以廣泛獲取過濾後的陽光，但月球表面的漫長黑夜，以及地下缺乏陽光，可能需要為高等植物提供人工照明。微生物可能更能耐受長時間黑暗。碳 (100-160 ppm)、氫 (30-60 ppm)、氮 (60-120 ppm) 和水 (10-1000 ppm) 在月球土壤中很稀少，可能需要從其他地方進口 (Fegley 和 Swindle, 1993 )。
21 - 採礦: 月球表面覆蓋著平均 1000 萬噸/平方公里的破碎岩石和塵埃，並且白天有 1.36GW/平方公里的太陽能可用於為採礦和加工作業提供動力。採礦似乎可用於當地使用，以及供應距離比從地球到達更容易到達的位置。開採產品的運送到地球本身將受到限制。構成月球表面大部分的礦物氧化物在地球上也廣泛存在，而且成本低廉。可能存在一些稀有材料，這些材料將值得運送到那麼遠的地方，特別是如果開發出非常低成本的運輸方式的話。
22 - 公用事業: 月球區域的所有活動都需要當地電力，最初可以透過從地球帶來的太陽能板和電池等裝置供應。當需要更高的電力水平時，可以當地製造像聚光反射器和熱能儲存之類的簡單系統。隨著當地製造業的發展，可以建造更復雜的電力系統。我們的文明消耗著越來越多的能量。高軌道區域可獲取的太陽能是地球表面位置的 4-15 倍，而且不會受到黑夜和天氣的影響。如果能夠以足夠低的成本交付這種能量，那麼將會有巨大的需求。月球區域可能距離地球太遠，無法有效地向地球發電和傳輸能量，但可以作為材料和產品的來源，以便在高軌道區域這樣做。在合理傳輸範圍內（80,000 公里軌道半徑）可獲取的太陽能數量為 2740 萬太瓦，相當於地球當前總能耗的 100 多萬倍。
23 - 建設: 地球足夠大，可以在可預見的未來從純粹的物理空間角度支撐其人口。以曼哈頓的密度，100 億的人口將適合世界陸地面積的 0.25%。即使不需要更多空間，但出於多種原因，它是可取的。月球區域可以提供一些這些物理空間。在月球區域進行涉及人和生物的活動需要居住地來支援它們，因為自然環境無法做到。大型軌道居住地和工業設施將很難作為一個整體交付。要麼需要現場施工，要麼需要軌道上的造船廠和拖船。大型地面居住地和其他設施將難以移動，需要當地建造。
31-33 - 製造業: 月球區域可能生產的產品範圍很廣。第一個被製造的可能是那些利用當地資源、取代從地球運來的大量物質，而且相對簡單的產品。例如，散裝遮蔽、用於夜間供電的熱能儲存質量、用於推進和生命維持的基本化學物質以及用於建築的礦物產品和金屬。一旦將生產裝置的啟動套裝運送到該區域，它們就可以開始引導自己的擴充套件，並增加當地製造的產品範圍。往返附近區域的運輸能量很低，因此當地製造業可能可以使用更廣泛的材料投入和產品出口。
42 - 批發貿易: 該地區的個體運營商將根據比較優勢的經濟原則相互交易，並與其他區域交易。月球擁有大量易於開採的原材料。因此，這些材料或用它們製成的產品很可能會流向缺乏這些材料並且運輸能量低於地球的月球和地球軌道。貿易的所有權和控制權可能來自地球，而不是當地。從該區域與地面通訊相當容易。
44-45 - 零售貿易: 我們預計該區域在相當長一段時間內不會出現重要的零售貿易。月球區域的早期人口將是出於科學和工業目的而去的。他們的僱主很可能會提供他們的基本需求，甚至預算一些可選物品，比如娛樂媒體。隨著永久居住地的發展和非工作人口的積累，將會有更多的時間和資源可以應用於個人選擇和非必需的專業領域。然後零售貿易可能會發展起來。
48-49 - 運輸和倉儲 為了在該區域啟動任何活動，需要從先前開發的區域運輸。這種運輸已計入之前階段，從它們在地球或地球軌道上的起點開始。本階段考慮了月球區域內以及更遠目的地的運輸。起初，所有運輸裝置都是在其他地方製造的，但隨著時間的推移，推進劑、結構和更復雜的東西可以在當地製造。運輸包括基礎設施，例如太空港和地面車輛機庫。倉儲包括所有型別的儲存，從未加工的岩石和基本化學物質等散裝物品開始。
51 - 資訊 透過太空傳輸資訊不需要質量，只需要很少的能量。因此，地球軌道上已經存在許多純粹用於通訊的衛星系統，並且幾乎所有衛星系統都具有通訊系統來支援其主要目的。一旦該區域開始進行重大運營，通訊網路將擴充套件到月球區域。用於月球區域內部使用的網路、通訊和資訊科技，以及與地球和其他區域的通訊，從一開始就將是廣泛的。使用的裝置複雜且質量較低。因此，它很可能繼續來自地球。
52 - 金融和保險 這很可能由地球提供，因為所有權、合同和貨幣都是非物質關係，可以遠端交易。
53 - 房地產、租賃和租賃 外層空間條約 禁止聲稱擁有天體，但允許在太空中進行和平利用。國際空間站的國際協議以及通訊衛星的軌道位置和頻率已為太空裝置的所有權和使用設定了先例。尚未解決的是對小於整個天體的領土權利。例如，如果有人在月球上建造了一個採礦作業，或者在月球軌道上建造了一個殖民地，他們是否會在某種程度上擁有其周圍的領土，就像地球上的土地權利一樣？一個合理的答案是出於技術和安全原因排除其他人。因此，其他人不能建造任何東西來遮擋你的太陽能收集器或用火箭尾氣損壞你的裝置。在法律問題解決之前，我們無法確定此行業類別的範圍。與金融和保險一樣，無論範圍如何，它很可能出於類似原因由地球處理。
54 - 專業、科學和技術: 一些研究和開發，特別是科學研究，最好在月球區域當地進行。此類活動始於 1960 年代，在很大程度上是出於政治原因，並一直持續到今天。預計未來在月球區域將繼續進行科學和越來越多的商業活動。迄今為止，大多數參與太空活動的人都在地球上，他們建造裝置並遠端操作裝置。這種情況很可能會持續一段時間，但越來越多的人會訪問和在月球區域工作。他們最初將集中在科學和技術領域。
55-56 - 管理和組織支援: 商業管理和行政工作很可能大部分由地球處理。軌道碎片收集和輻射修復等支援活動是地球軌道上的任務。這些反過來可能由月球區域提供。
61 - 教育: 這很可能在開始時由地球提前或遠端完成。當地教育主要限於工業運營培訓。一般兒童教育和高等教育將推遲到永久居住地發展起來，並擁有需要教育的年輕人。
62 - 醫療保健和社會服務: 從一開始，月球區域的人員就需要健康監測和急救能力。起初，這將透過培訓船員本身，並進行遠端監測和建議來實現。隨著該區域人員數量的增加，可以提供更多專門的裝置和醫療保健專家。遠端臨場、虛擬現實和觸覺機器人目前還不足以進行遠端醫療保健，而且由於光速延遲，可能永遠無法從地球做到這一點。在當地進行的自動化醫療保健可能是可能的。這些取決於未來的研發，因此目前醫療保健概念將涉及現有方法。護理和療養預計最初由地球提供，透過將人們送回地球。隨著該區域人口的增長，當地設施可能會建立起來。我們假設社會援助將在遠端進行或不需要。對於該地區所有人來說，居住和食物等基本必需品都需要提供，以便他們能夠生存。對於任何需要社會支援的人來說，返回地球都是一個選擇。
71 - 藝術、娛樂和休閒: 娛樂將從遠端交付或軟體開始，用於該地區的人員，因為他們的能量和質量都很低。主動休閒將從必要的健康維持鍛鍊開始。早期的月球著陸點可能會被保留為歷史地點，並且月球區域可能會發展出獨特的運動，例如火星車比賽或低重力體操，但這些目前還處於推測階段。
72 - 住宿和餐飲： 該地區的人員必須始終獲得生活空間、食物和飲品。最初，這些將由贊助組織提供，並由自身運營。隨著當地能力的提高和人們建立長期住所，將有空間提供臨時旅行住宿、旅遊以及特色餐飲場所。低軌道太空旅遊已經實現，並已提議在月球區域開展，但由於成本極高，因此市場非常有限。但這確實表明存在興趣。探險旅遊市場的出現表明，一旦成本變得更加合理，將會有更多遊客。
81 - 其他服務： 此類別涵蓋未在其他地方涵蓋的各種活動。從一開始，月球區域就非常需要維修和維護。這是因為裝置要麼更換成本高昂，要麼對生命至關重要。個人服務將從最初的自力更生開始，直到人口規模更大。私營和公民組織最初不需要，可以是地球組織的延伸，或者在當地自發組織。
92 - 公共行政： 最初，該行業類別的大部分工作將由地球處理。消防和公共安全將從最初的自力更生開始，並隨著人口的增長而發展為專業領域。環境質量和監測將被設計成月球系統中的必需品。迄今為止，該地區唯一進行的公共資助的民用和國家安全太空活動，而且它們很可能繼續保持重要地位。政府對這些活動的預算有限，而商業和私人預算不受此限制，因此我們預計後者最終會佔主導地位。為了提高效率，公共和私人專案應相互整合，以相互支援。
專案驅動因素
[edit | edit source]哪些活動對月球區域有意義，以及何時進行，取決於多種因素。其中包括專案動機、經濟性、可用技術以及先前和並行開發。這些驅動因素會隨著時間的推移而發生變化，影響這些活動中的哪一項啟動以及何時啟動。
動機
[edit | edit source]開發該地區的動機可以是個人、組織或社會性的。好奇心驅使著對月球本身的科學探索，以及對未來其他科學的支援。自然和人為災害的安全性是另一個動機。它過去推動了軌道天氣和防禦系統的發展，將來可能會推動小行星偏轉和太陽遮擋系統的開發。月球自然環境沒有生命，充滿輻射。因此，將危險活動從地球轉移出去是另一個安全驅動的動機。利潤動機在商業世界中始終存在。該地區未被索取的物質和能源資源是潛在的盈利活動來源。[新增人類動機的列表以及適用的動機]
經濟學
[edit | edit source]哪些專案可行，以及何時可行，部分取決於可用技術以及先前階段的支援。但這也取決於專案本身的經濟效益。比較優勢和投資回報率等經濟原理仍然適用於月球區域。月球的第一個優勢是距離地球和地球軌道相對較近，這些軌道已經投入使用。通訊和運輸時間比更遠區域短。接下來是由於月球質量較小且位於地球引力場中的高位置，因此到達附近軌道的能量較低。由於地球大氣層的緩慢氣動減速，運輸“下坡”（朝向地球）變得更加容易。緩慢氣動減速使用多次透過來降低加熱並避免損壞。運輸“上坡”（遠離地球-月球系統）透過在出發和到達時都使用月球來進行引力輔助變得更加容易。最後，月球區域有大量的原材料和太陽能可用，可以實現專案。
雖然月球區域有大量的材料可用，但它們並非所有可能需求的完整來源。月球表面缺乏揮發性化合物，這些化合物已經逃逸，以及密度較高的礦物和天然鐵，這些物質沉入了內部。一個完全發達的經濟體將需要從其他地方補充當地材料，從而推動貿易。這包括近地小行星以及從低軌道或地球。近地小行星是散裝材料的理想選擇，因為到達和返回它們的能量很低。低軌道和地球是高價值和製成品的可能來源，因為那裡有更多成熟的行業。從長遠來看，其他來源最終可能會具有經濟效益。成本往往隨著任務中消耗的能量而增加。因此，當從其他地方運輸的能量小於從稀缺的當地來源開採和加工的能量時，貿易是有意義的。反過來，貿易推動了對低成本運輸的需求。
地球已經維持著一個完整的文明。因此，來自月球區域的實物產品不可能在成本上與地球上的產品競爭。例外情況包括科學和收藏樣本，它們的值特別來自它們的月球起源。資訊是低質量的，並且相當容易傳遞，因此來自月球時可能具有顯著的經濟價值。能源是地球上的一個非常大的市場，太陽能在地球軌道上更加豐富。如果可以經濟地交付，那將推動整個太空工業的發展，並從月球區域出口產品以支援它。
技術
[edit | edit source]截至 2016 年，從地球到月球區域的發射成本約為 5500 萬美元/噸。這略高於黃金/噸的價格，這極大地限制了哪些型別的專案可行。到達月球的原材料批發能源僅為 1000 美元/噸，這表明還有多少改進的空間。許多新的運輸系統正在開發中。SLS 最終可能會達到每架次 10 億美元的成本，用於使用所有化學推進劑將 55 噸運送到該地區，或者每噸 1800 萬美元。SLS 和從低軌道出發的有效電動拖船可以為該地區提供約 105 噸，價格為 12 億美元，或者每噸 1150 萬美元。重型獵鷹可以將 64 噸貨物運送到地球軌道，並與電動拖船一起可以為月球區域提供 50 噸貨物，價格約為 2 億美元，或者每噸 400 萬美元。這些是改進，但成本仍然很高。相比之下，2017 年中期白銀的價格為 50 萬美元/噸。任何以貴金屬價格倍數衡量的運輸仍然是重大發展的一個障礙。
因此，我們對兩種技術改進有強烈的動力：具有更低運輸成本的系統，以及使用當地資源以避免運輸。這兩者都需要大量的研發，以便在嘗試大規模月球開發之前準備好新技術。這兩項改進對其他地點都有用。因此，我們預計它們的開發將在早期專案階段開始，並在需要時升級以進行月球開發。
先前和並行開發
[edit | edit source]上述技術改進不會同時發生，因此不同的月球活動和專案將在不同的時間變得可行。這將與地球和太空中的其他專案階段以及月球區域中之前或與之並行的其他開發同時進行。在很大程度上，由於所有太空區域的運輸成本仍然很高，因此有利於高價值/低質量的活動以及那些經濟回報不重要的活動，例如公共資助的科研和探索。低地球軌道和高地球軌道很可能將繼續比月球更發達，因此推動運輸和資源利用的改進。高推力系統可能會從其他區域改編，用於最初的月球表面訪問。像空間天梯這樣的改進最初是為地球軌道開發的，後來可以改編為月球表面訪問。小行星加工可能從 L2 開始，L2 在月球區域之外，但後來可能會在月球附近或月球上新增其他地點。這些地點可以使用相同或升級的裝置。
開發專案
[edit | edit source]我們現在可以開始將上述資訊結合起來，形成一種用於月球開發的通用方法，並確定具體的專案。我們可以為這些專案提供初始概念，這將使我們瞭解它們的規模和主要特徵。但這僅僅是一個起點，並不排除其他想法。它也幾乎沒有開始對專案進行最佳化和整合，使其相互關聯並與其他地方的其他專案關聯。
月球表面面積相當於地球上兩個大陸的面積，其軌道區域的橫截面積為38.5億平方公里，是地球總表面的7.54倍。這個區域太大，無法一次性開發，也不能由單個專案或組織完成。因此，我們的總體方法是確定一些較小的任務和專案。這些任務可以由不同的組織獨立執行，並按邏輯順序進行。當它們同時存在時，它們會相互作用，與其他專案階段以及文明的其他部分相互作用。
這些任務可以根據開始時間劃分為準備階段、軌道階段和地面開發階段。目前已有許多現有和近期的專案針對早期任務。我們將在下面列出這些專案，並將其存在整合到後期專案的計劃中。我們還沒有為特定的長期專案制定整合的順序。因此，它們按主要功能（生產、居住、運輸或服務）和位置（軌道或月球表面）進行分類。在每個類別中，我們按大致的開始時間順序排列它們。我們預計早期的專案會與同一類別中的後期專案重疊，而不是完全被取代。
準備階段 - 規劃和設計未來的月球專案需要了解該地區的相關特徵，以及特定運營地點的特徵。因此，月球開發的準備工作包括勘探、調查、勘探和場地調查等任務。月球的科學探索始於望遠鏡可用以詳細觀察月球之時。隨著火箭技術的發展，人們能夠將儀器送入軌道和月球表面，並帶回樣本進行分析，月球科學探索加速發展。現在對軌道區域的瞭解已經足夠深入，可以開始在該區域進行專案。對於月球表面，整個月球的調查和勘探仍在進行中，但未來地面活動的詳細工作尚未完成。我們假設將在對特定地點進行大量開發之前派遣月球車等裝置。它們將進行詳細的調查、勘探和地下調查。
軌道開發 - 月球軌道比月球表面更容易到達，特別是在初期。因此，我們假設軌道開發早於地面開發。軌道位置通常不需要物理準備，因為它們沒有天然材料。因此，可以使用給定的軌道，只需將裝置運送到該軌道即可。較小的衛星（例如通訊中繼衛星）可以作為一個完整的單元從地球運送。較大的設施（如有人居住的空間站）可以使用在地球上生產的部件，並在地球軌道或最終位置組裝。在這兩種情況下，電力拖船都可以緩慢但有效地將其運送。人們將首先乘坐速度更快的化學火箭前往月球，以避免受到輻射照射。相同的電力拖船可以從附近的軌道上獲取小行星岩石。它最初可以原樣用於大體積的輻射遮蔽。然後，從地球運來的加工裝置可以開始用小行星材料製造更簡單的產品，如推進劑、氧氣和水。
我們目前還不知道最佳的發展路徑。在這方面需要進行大量的研發工作，例如，我們可以遵循歷史經驗，使用鋼鐵和蒸汽來啟動不斷增長的經濟。金屬小行星主要含有鐵，並混合了不同比例的鎳和鈷。球粒隕石小行星含有高達20%的水和碳。碳可以新增到鐵中製成鋼，水可以用聚焦的陽光加熱來產生蒸汽動力。一套啟動生產工具將把金屬庫存轉化為動力裝置和更多生產機器的零件，從而啟動自身的擴張。它們還可以製造結構部件、壓力容器和其他物品，以擴充套件生產流程範圍。這可能是比一開始生產太陽能電池板更簡單的啟動方式。後來，從月球表面開採和運輸將增加源材料的數量和多樣性。稀有材料和難以製造的物品將繼續從地球進口，但隨著生產的增加，其所佔比例會下降。新的工作人員、對月球系統的遠端控制和支援服務仍將由地球提供。
地面開發 - 月球表面工作比軌道開發開始得晚，但在之後將持續並行進行。月球表面的位置通常在其自然狀態下並不理想。因此，可以在勘探和場地調查之後開始建築場地工作。這將使用一些由地球運送的機器人、自動化和遙控機器的組合。軌道上生產的推進劑使它們的運輸變得更容易。某些型別的專案不需要大量的人員。它們可以繼續以遠端操作的方式進行，並且可能需要機組人員短暫訪問進行維護。短時間訪問和規模較小的長期人口可以透過從其他地方進行的交付來維持。為規模較大人口和工業運營提供一切物資效率低下。當地開採、加工和製造將在一段時間內逐漸發展起來，以支援它們。
與軌道開發類似，地面開發的最佳增長路徑需要進行大量的研發工作。它可以從交付現成的生產裝置開始，然後使用啟動套件來啟動進一步的擴張。根據規模和成本，當地生產簡單產品的活動可能最早在遠端操作階段開始。這些產品可以被儲存起來，供以後的開發使用。即使人們在月球表面全天候或部分時間獲得支援後，也可以繼續使用機器來增強他們的工作，並使用自控或遠端控制。根據自動化的程度，每人可能會有大量的此類機器。這種方法將利用早期有限的人力資源。
從地球運輸 - 美國國家航空航天局 (NASA) 透過其太空發射系統 (SLS) 和獵戶座航天器 專案致力於從地球進行直接運輸。SLS 提供了將大型有效載荷運送到月球區域（和其他目的地）的能力，獵戶座航天器用於運載人員。其他化學火箭，這些火箭處於不同的運營和開發階段，也可以將有效載荷運送到該區域。只有較大的火箭才能在無人幫助的情況下運送大量的有效載荷。Scaled Composites Stratolaunch 載機是混合渦扇/化學火箭運輸系統的一部分，有可能支援月球任務。組合迴圈SABRE 空氣呼吸/火箭發動機用於反應發動機 Skylon 太空飛機，目前處於開發的早期階段。Skylon 旨在將 15 噸有效載荷送入低地球軌道，足以支援月球任務。
從低地球軌道運輸 - 化學火箭的效能受到推進劑可用能量的限制。它被用於地球到低地球軌道的運輸部分，因為它提供了足夠的推力來克服地球引力，並防止彈道軌跡在到達軌道之前再次與地球表面相交。一旦低地球軌道專案在 4A 階段建成，就可以使用更慢但效能更高的替代方案，並從低地球軌道到月球區域建設運輸基礎設施。即使使用化學推進，與目前的一次性運輸相比，系統成本也可以降低。如果可以使用更便宜的推進劑來源或硬體可以重複使用，這將是可能的。多用途軌道運輸飛行器通常被稱為太空拖船，與拖船類似，它們負責在周圍推動船舶和駁船。
前往月球區域的任務 - 自 1959 年以來，已有 64 項成功的公開前往月球的任務 或涉及月球區域的任務。其中最著名的是阿波羅任務，該任務運送了人員並將 382 公斤的樣本帶回了地球。大約 20 艘更多公共和私人探測器正在開發中，計劃在 2017 年至 2020 年代之間發射。兩項短期載人任務也在開發中。目前還提出了十多項探測器和載人任務，但尚未開始開發。美國國家航空航天局 (NASA) 的深空門戶 是一個計劃於 2020 年代在月球附近光環軌道上建設的有人照料的空間站。歐洲和中國航天局已提出在 2030 年代建立月球表面基地。這兩項計劃可能都將涉及國際和私人合作。我們預計該地區的公共專案將繼續發展，但會受到可用資金的限制。
如上所述的總體方法，在我們可以為月球長期開發制定明確的計劃之前，需要進行大量的研究和開發工作。我們現在可以做的是確定潛在的專案以及為這些專案做哪些準備工作。它們可以被整合到一個計劃中，但這應該被認為是初步的，並且很可能會隨著時間的推移而修改。為了方便起見，專案按功能和位置分組，然後按大致的時間順序排列。
到達月球軌道所需的能量比到達月球表面所需的能量少，並且從高地球軌道區域很容易到達月球軌道，因為月球區域位於高地球軌道區域內。因此，我們預計軌道生產將先於地面生產。早期生產可能是深空門戶等公共專案的產物。這些專案將從組裝從地球運來的預製元件開始。然後可以逐步增加當地生產。生產可以從預製工具和裝置開始，然後透過使用種子工廠方法來啟動自身的擴張。一套啟動裝置用於製造自身擴張所需的某些零件，其餘零件則從外部進口。隨著時間的推移，可以在當地製造更多零件，直到達到經濟合理的極限。生產輸出可以在軌道上本地使用，運送到地面，出口到高地球軌道和低地球軌道區域的現有市場，並出口到更遠的地方。我們預計該區域不會向地球出口太多產品，因為地球上的文明發展良好，成本可能更低。主要的生產步驟包括
材料和能源來源 - 月球軌道上沒有重要的材料來源，因此必須從地球進口。儘管物理距離更遠，但近地小行星是最初最容易獲得的材料來源。這是因為可以使用電力推進，效率很高，月球可以用來進行引力輔助，從而減少推進所需的ΔV。這兩種方法都不適用於早期往返地表的運輸。小行星的成分比月球表面更加多樣化，可以生產更廣泛的產品。當彈射器和天鉤等運輸基礎設施變得可用時（見下文月球運輸），月球表面的低成本、高產量和更短的交貨時間將成為優勢，從而改變平衡，轉向更多當地材料供應。某些材料在小行星和月球礦石中都很稀有，仍然需要從地球供應。
軌道位置全年有 50% 到 100% 的時間可以使用太陽能，主要取決於高度，而地表位置的使用時間為 50% 或更少，並隨著緯度的增加而降低。由於製造產品的內含能量通常大於將材料從月球表面移至軌道的動能，因此在軌道上通常可以更快地進行生產。軌道生產的大多數市場將是本地或其他軌道區域，並且比從地表交付所需的能量更少。由於這些原因，軌道生產應該繼續受到青睞。
材料加工 - 一些產品，如散裝輻射遮蔽，不需要進一步加工，只需交付即可。但大多數都需要透過機械、熱力、化學、電氣或其他方法將原材料轉化為成品。加工可以從最簡單、最容易的方法開始。例如，從球粒隕石型別的小行星岩石中提取水，只需要使用聚光太陽光加熱容器，並使用陰影冷凝器收集析出的蒸汽即可。金屬小行星主要由天然鐵鎳鈷合金組成，佔其質量的 95% 以上。然而，單個樣本的成分各不相同，可能含有不希望存在的微量元素、缺少其他想要的合金元素，或含有岩石夾雜物。石鐵隕石組含有更高比例的矽酸鹽和更少的天然金屬。因此，通常需要進行加工以生產具有所需尺寸和形狀的均勻合金。石鐵隕石的石質部分，以及純S 型小行星 通常是含有多種金屬元素的矽酸鹽礦物。這些需要大量的加工才能提取所需的產品。
軌道製造 - 目前已知許多將原料轉化為成品的製造工藝。這些包括地球上使用的所有已知方法。除此之外，我們還可以新增一些利用零重力、真空和全光譜太陽能的獨特方法。哪些方法適用於月球軌道以及開發它們的順序，都需要大量的研發。至少，地球上已知的工藝可以在太空中使用，只需提供正常的大氣和人工重力即可。然而，這些方法在軌道上可能非常龐大和低效。
軌道組裝和建造 - 這可以從地球運送的預製元件開始，並在軌道上組裝，例如空間站以及更大、更強大的衛星。隨著本地生產的發展，軌道產品的尺寸不再受地球發射質量和成本的限制，因此它們可以使用更簡單、更重的設計。月球軌道區域是將原材料供應、能源供應和來自地球或低軌道的零件交付相結合的有用位置。因此，它可能會發展成為一個主要的組裝和建造場所。像太空殖民地這樣的大型專案一旦建成，可能太龐大而無法移動。在這種情況下，較小的部件可以在月球軌道上生產，然後運送到最終位置進行建造和安裝。
地表生產系統可以在不使用進口材料的情況下生產一些物品。月球礦石相對有限的變化意味著更廣泛的產品將需要大量的外部供應。著陸月球一開始需要大量的推進劑，因此進口物資的成本更高。因此，早期生產將有利於那些可以完全或大部分在當地生產的物品。一旦高效的雙向運輸可用（見下文運輸），大量的原材料和半成品可以出口到軌道生產。更多的成品和材料也可以進口到地表生產。這使得在地表可以生產更廣泛的產品，並形成一個互惠互利的貿易網路。地表生產的首選位置取決於能源和材料來源的可用性、當地條件、運輸能力以及產品的預期目的地和用途。例如，如果科學前哨站附近的工業運營會造成不必要的干擾，他們可能不希望在附近進行工業運營。可能的生產產品包括
最小加工的月壤 - 早期的月球採礦和建造將支援近期的公共科學和探索專案，例如地表站。這將包括清理和平整建築場地和通道；然後是挖掘、放置和用未加工的當地月壤覆蓋站的部件，以提供輻射、熱量和碎片保護。碎片保護來自自然隕石和著陸器排氣丟擲的物質。覆蓋可以是簡單地將材料鬆散堆放在支撐結構上，而不需要進行加工，只需要對岩石大小進行分類。鋪路和塊體可以透過使用聚光太陽光熔化土壤來生產。
水提取 - 月球上已知沒有液態水，但月球水 已知存在於兩種主要形式中。第一個是化學結合的水合物和氫氧化物礦物。從這種來源中提取水需要高溫。濃度約為百萬分之十到千分之一。第二個是困在兩極附近永久陰影隕石坑中的水冰，那裡的溫度足夠低，可以儲存水冰。小行星可以包含高達 20% 的水，氫可以與豐富的礦物氧結合，生成其質量 9 倍的水。因此，進口是低濃度和有限的當地來源的替代方案。從長遠來看，水在小行星帶中部以外的霜線 非常豐富，那裡的溫度一直保持足夠低，可以保留固體冰。如果低成本運輸可用，它們將成為有限月球來源的首選來源。當然，地球上有大量的水，但運輸它需要消耗大量能量。
天然鐵生產 - 早期的生產路徑可能是開採和加工天然月球鐵，其含量約佔月球土壤的 0.5%。如果此過程可行，它可能使用相當簡單和低質量的裝置，從而在運送到月球的硬體上獲得早期回報。將土壤篩分以分離出細顆粒，然後透過磁性分離選擇含鐵顆粒。其餘部分用於製作砂模。機器人將一塊地面磨平，在上面鋪上非鐵顆粒，然後壓實並製作出模具凹槽。將含鐵顆粒放置在模具凹槽中，一個大型聚光碟將陽光集中在凹槽上，如果需要，可以順序掃描它們。鐵顆粒通常附著在其他礦物顆粒上，但由於密度更大，它會沉到底部，而玻璃狀渣滓會上升到頂部。結果會是基本的形狀，如板和條，兩側都會粘上熔化的渣滓。
根據鐵和其他礦物的熔點，可能需要選擇耐火礦物作為模具。一種方法是加熱樣品，直到較不耐火的成分昇華。另一種方法是勘探合適的耐火源巖。第三種方法是將一個高度耐火的坩堝帶入其中，將顆粒熔化，然後分別倒出渣滓和鐵。在這種情況下，模具在短時間內會變熱，不會熔化太多。需要研發來確定這些方法中哪些，如果有的話，將會有效。鑄造金屬坯料需要用噴砂清理掉粘附的渣滓和模具顆粒。幸運的是，月球表面沒有缺少礦物顆粒來完成這項工作。你現在有了一批鐵坯，可以用於各種建築和零件製造。
化學加工和冶金 - 更復雜的加工可能需要更多裝置，但可以從一定量的月球礦石中獲得各種坯料。一般來說，任何給定的土壤中大約有 43% 的氧氣，因此可以使用幾種還原過程來提取氧氣。氧氣可以用作推進劑，並用於生命支援。土壤中平均約有 21% 的矽，可用於太陽能電池板，以及用於變壓器和電機中的鋼材。與氧氣結合，它會形成石英，與其他元素結合，會形成用於鏡子和窗戶的普通玻璃。土壤中平均約有 24% 的鐵、鋁、鎂和鈦，它們是很有用的結構金屬。月球玄武岩，它構成了大部分月海區域，可以製造高強度玄武岩纖維。因此，透過完全加工，幾乎所有土壤都可以轉化為有用的產品。然而，土壤中某些元素含量較低，例如碳、氫和氮。前者用於製造鋼材，而所有這三種元素都需要有機物。這些元素可能進口，而不是從低品位礦石中提取。早期的市場很可能是在先前開發的地區，並且在月球軌道較高的地方，可以獲得更多的太陽能用於生產。因此，我們預計早期的生產主要用於出口到月球軌道及以外，而用於當地使用的生產將逐漸增加。
氦-3 採礦 - 從月球開採氦-3 經常被建議用於地球上的能源，因為它在聚變反應中產生的輻射副產物很少。這個想法存在幾個問題。第一個問題是氘/氦-3 聚變比氘/氚聚變難約十倍。我們還不知道如何維持 D-T 聚變，更不用說經濟地進行，而且我們離進行更難的 D-He3 聚變更遠。所以我們現在根本不需要它。第二個問題是 He3 來自太陽風，沉積在月球表面。然而，這種來源是彌散的，並且這種同位素極易揮發。因此，月球大部分地區的淨丰度只有十億分之三到十五。因此，我們必須處理十億噸月球土壤才能獲得 3 到 15 噸產品。
外層氣態巨行星中氦-3的丰度比月球高出 1000-6000 倍，因為它們的 атмосфера 包含 15%（天王星）和 19%（海王星）的氦，因此也包含比例更高的 He3 同位素。更高的礦石濃度意味著開採和加工每噸產品所需的礦石重量更少。雖然外層行星比月球距離地球遠得多，但如果我們需要 He3，那麼 D-T 融合反應已經解決，並且可以用它來為飛船提供動力前往這些行星。由於這些行星的大氣層主要由氫組成，因此氘同位素十分豐富。氚可以透過中子轟擊 He3 製成。大氣中的大部分氫和氦可以用作推進劑。因此，開採外層行星可以實現自給自足。第三個問題是相對能量含量。純 He3 可以提供 200 TJ/kg 的能量，但在月球濃度下，開採的土壤只能提供高達 3 MJ/kg 的反應能量。這僅僅是化石燃料能量的十分之一，是木材能量的五分之一。因此，在 地球上開採氦-3 幾乎不值得，更不用說在月球上了。
矽和鋁佔典型月球土壤的 28%。假設只有 10% 的土壤質量被提取為這些元素，並用於製造太陽能電池板和電力衛星的結構。這些衛星將產生約 100 W/kg 的功率，因此開採的每公斤土壤的淨功率為 10 W/kg。這種電池板的標稱壽命在軌道上為 15 年，在此期間它們將產生 4.75 GJ/kg 的能量。這種能量可以全天候傳輸到地球。因此，如果你想開採月球來為地球提供能源，你可以透過太陽能產生比 He3 融合反應高 1500 倍的能量，即使在元素提取效率較低的情況下也是如此。太空太陽能電池板會因輻射損傷而退化。然而，損壞的電池板代表了可重新加工的高質量礦石。這應該比從岩石中提取矽所需的能量更少，而且這些電池板產生的能量遠遠超過它們生產時的消耗能量。因此，原則上我們可以無限期地延長衛星的壽命。在這種情況下，它們的能量產量僅受太陽壽命的限制。
如上所述，月球表面的一些區域含有高達百萬分之十的鈾和釷。這些元素在月球從熔融狀態冷卻的過程中，透過差異過程集中在月殼中。開採的礦石的能量含量約為 800 MJ/kg，是 He-3 能量含量的數百倍。因此，即使是在月球或其他太空地點進行核能發電，He3 也不是最有效的來源。太陽能的能量含量甚至更高，但有一些情況下核能很有用。這些包括跨越漫長的月球夜晚，在陰影隕石坑中，或用於行動式電源，以及在遠離太陽的太陽能較弱的地方。結論是，從月球開採 He3 對於我們所能看到的任何目的都沒有意義。
表面製造和組裝 - 與其他專案階段一樣，我們使用一個引導式過程來建立我們的生產能力。我們首先進口現成的工具和裝置，例如用於鋪設和制磚的移動太陽能熔爐。然後，我們新增一組初始機器（種子工廠），這些機器能夠製造用於製造更多生產機器的部件，以及其他最終產品。車床和銑床等機床旨在用金屬坯料製造金屬零件。現代機床是計算機控制的，而且它們本身主要由金屬製成。因此，當提供當地庫存材料時，一組初始機器可以製造更多機器的許多部件。鑑於對各種機器的計劃，初始機器組可以在尺寸和複雜性上都增加。例如，鍛壓機或軋機對於製造某些型別的金屬零件很有用，但這些機器可能太重，無法一開始就帶到月球。但是，如果你有充足的當地材料，你可以在需要的時候建造它們。
初始機器組不能製造所有型別的所需零件，因此其餘零件將繼續從地球進口。隨著機器組的增多，進口的零件和材料所佔比例會下降，儘管它們的絕對數量可能會增加。然後，使用機器人、遙控和人工操作的組合來組裝零件。早期的組裝可能與為輻射遮蔽堆疊積木一樣簡單，但更復雜的產品將需要專門的組裝空間。機器人和工廠建築本身就是可以製造和組裝的產品，因此整個生產系統可以隨著時間的推移而自我發展。
電力 - 月球表面上的各種生產都需要能量，包括電力和工藝熱量。早期的電力系統可以作為完整的系統從軌道上運來。這可能是光伏太陽能電池板或核能。對於固定設施來說，質量不是問題，因此使用當地材料的太陽能熱能是一個擴充套件選擇。可以交付複雜的裝置，例如蒸汽輪機發電機組。可以在地球上製造提供集中陽光的反射器。它們可以是金屬板，並鍍上蒸發鋁層以使其更具反射性，或者更簡單地說，預製反射板被運送，只有支撐結構在地球上製造。隨著生產工藝範圍的擴大，在地球上製造的比例可以隨著時間的推移而增加。來自當地來源的水和岩石提供工作材料。一個容器中裝滿了月球岩石和少許用於傳熱的氣體。它周圍是大小合適的 regolith 粒子，用於真空絕緣。白天，容器用集中陽光加熱，熱交換氣體直接用於煮沸水和執行發電機。晚上，岩石中儲存的熱量繼續加熱氣體。月球表面有大量的岩石，因此我們可以提供兩週的熱量儲存，而隕石坑可以提供一個方便的地方放置容器和絕緣材料。
工藝加熱 - 許多工業過程都需要某種形式的加熱。這也可以用與電力相同的集中陽光來生產，但將合適的加熱器或熔爐替換為熱能儲存裝置。不同的過程需要不同的熱量，而且給定過程的溫度會隨時間變化。這可以透過一個可操縱的鏡子陣列來實現，該鏡子陣列根據需要指向選定的目標，並且使用一個遮光板進行精細控制。出於多種原因，熔爐和加熱器可能需要固定。由於太陽在空中移動，因此鏡子必須是可操縱的，因此將它們指向不同的目標不會給設計增加多少複雜性。
月球軌道居住
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月球表面居住
[edit | edit source]居住通常是指讓人們能夠居住在某個地方的設施。在地球上，這包括房屋，以及商業和工業設施中為人們需求而設計的區域。例如，工廠的休息室和休息區是為人們設計的，而生產機器是為工廠生產的產品而設計的。由於月球表面對人類生命來說是敵對的，因此那裡的棲息地必須保護人類免受自然環境的侵害，並提供人類的基本需求。這包括空氣、水、食物、溫度控制、睡眠、衛生等。
短期棲息地 - 用於短期科學和探險任務的月球表面棲息地，可能會基於加壓艙，就像當前的國際空間站使用的那些。它們將在地球上預製並運送，然後在現場組裝。這將需要裝置來準備場地，並將這些部件從著陸地點移動到最終位置。它們可能是剛性外殼或充氣結構。艙室和其他裝置可能需要保護，免受每日溫度變化、輻射、隕石、機械和靜電塵埃傳輸以及人類造成的危害（例如著陸器火箭排氣）的影響。一種通用的方法是使用類似於地球上使用的拱形結構（圖 4.12-4）。這些結構被月球土壤和岩石覆蓋，無論是天然形式還是形成塊狀。該結構允許進入艙室外部進行維護，併為可移動物品提供額外的儲存和工作空間。由於眾所周知，長期處於低重力狀態是有害的，因此機組人員的時間將限制在一年或更短。對於少數人來說，從軌道上為他們提供補給是可行的。
長期棲息地 - 涉及更長時間居住或永久居住，以及更多人的棲息地，將需要不同的設計。人們可以在短時間內忍受狹窄的住所，但出於心理和個人原因，他們在長時間居住時會想要更多空間。為了保持健康，他們可能需要離心機來創造人工重力。一種示例設計將是一個大型棲息地圓頂，以提供空間，以及一個圍繞邊緣建造的離心機，用於生活或鍛鍊需求。居民將在離心機中花費足夠的時間來保持健康，但可以在其餘時間裡工作和享受低重力。我們幾乎沒有關於零重力和 1.0 之間需要多少重力的資料。我們知道身體在零重力下會隨著時間的推移而退化。因此，最壞的情況是，人們需要在某種型別的 1 g 離心機中花費大部分時間，但這個問題需要更多研究。
大型棲息地可以從預製的部分組裝而成，這些部分可以從其他地方運來，或者使用當地的結構元素進行生產。在月球表面還沒有足夠的容納人員的設施之前，透過遙控機器人完成大部分工作是有意義的。月球軌道上的空間站或附近的拉格朗日點將擁有短的通訊時間。這可能比從地球進行即時控制效果更好。由於自然環境對人類來說是惡劣的，安全是重要的設計因素。這將包括多層和隔間來容納大氣，以及多個地點的緊急呼吸裝置。它還將包括安全裝置或多套生命維持系統。即使在電源或裝置出現故障的情況下，安全裝置設計仍將支援居民生存，儘管其能力或持續時間會降低。已證明植物可以在零重力下生長，因此有可能在月球的自然重力下種植食物。需要進行研究以確保其可行性，並且不會對食品產品造成問題。我們還需要確定是否可以使用或是否需要月球土壤，為植物提供非正常日長照明，以及如何供應有機物和其他植物營養素。
月球軌道運輸包括在這個軌道區域的基礎設施和系統。那些建立在地球軌道等先前區域的設施，將被分配到各自的專案階段。
可重複使用著陸器 - 月球早期著陸缺乏基礎設施支援，因此需要高推力化學火箭來穿越月球引力場。對於降落到地表的運輸，含碳小行星包含高達 20% 的碳化合物和水。這些物質可以透過化學反應重新生成碳氫化合物和氧氣，這是一種常見的火箭燃料組合。它們將在高軌道位置生產，那裡全天候有陽光提供能量。一臺電動拖船將其高效地運送到月球低軌道。然後，一個推進劑庫將裝載一個可重複使用的著陸器，將人員和早期貨物送往地表。氧氣是月球上最常見的元素，人們研究了許多從氧化物礦物中提取氧氣的辦法。一個為返程旅程加油的製氧廠可以將往返旅程質量比從 2.9（LOX/CH4）降低到 1.96。這將每次運輸的有效載荷從約 25% 提高到約 40%。
軌道拖船 - 這些拖船對於在月球軌道內進行高效運輸，以及在這些軌道與其他區域之間進行運輸是必不可少的。前往高軌道和低軌道區域的運輸可以消耗相對較少的能量。在某些情況下，月球可以被用作引力輔助來降低軌道，並使用氣動減速來降低遠地點。引力輔助也可以用來從地月系統中逃逸，但向上的運輸通常需要更多推進力。引力和阻力在改變月球周圍的軌道方面沒有幫助，但總速度要求相當低。我們預計大多數推進將是電推進。軌道拖船很可能首先在地球軌道上開發，然後直接複製用於月球用途。
月球天鉤 - 月球玄武岩和來自小行星的碳可以被製成高強度纖維。這些纖維可以用於一個大型旋轉結構，稱為“天鉤”，其中旋轉頂端的旋轉速度抵消了部分或全部軌道速度。對於軌道速度為 1564 m/s（對應於 262 公里的高度），半徑為 250 公里的天鉤在頂端產生 1.00 個 g，同時抵消了軌道速度。那麼旋轉的最低點將位於地表上方 12 公里，這可以避開任何山脈，並允許不規則的引力場存在。然後，車輛可以抵達並在零水平速度和地表以上 12 公里 +/- 著陸點高度的位置被放下。這將需要最少的推進力來著陸和起飛。頂端 1.00 個 g 使船員能夠舒適地生活在軌道上，並使用極少的燃料進行往返月球表面的旅行。一個傾角為 86 度的“凍結”軌道可以最大限度地減少軌道擾動，並允許進入月球表面的幾乎所有區域。但是，它限制了特定地點可以訪問的時間。赤道軌道將具有更頻繁的訪問次數，但覆蓋的表面區域更有限。與地球不同，月球自轉非常緩慢，因此其自身旋轉對進入軌道的幫助可以忽略不計。
一個軌道天鉤只有在往返月球表面的交通量大到足以證明其經濟價值時才有意義。在最初階段，這將是不可能的，而從地表運輸的散裝材料可以幫助其建造，因此它不會立即被建造。建造天鉤需要一次性支付質量成本，但之後它可以節省大部分所需的著陸器推進劑。天鉤可以逐步建造，並在完工前提供部分節省，這會影響經濟效益。在旋轉的另一端，頂端的運動速度超過了月球逃逸速度，因此可以透過選擇釋放半徑和時間將車輛傳送到各種軌道。捕捉和釋放車輛會影響結構的軌道，但如果交通方向平衡，它是一個暫時的變化。可以在中心提供壓載物來減少軌道變化，並且無論如何，零重力活動可能在那裡積累。如果一個方向的交通量大於另一個方向，則可以透過電推進來彌補差額。由於已知低重力有害，因此軌道離心機可以使船員大部分時間生活在正常重力下，並透過短距離通訊遙控操作裝置。同時，離心機可以方便地在需要時進入地表。它不是純粹的運輸系統，而更像是一個空間港口，類似於地球上的機場是周圍活動的樞紐。