第253章 登月
李水旺新一期視頻：
假如我是一名美國人，那我肯定就有這樣一個疑惑:為什麼自上世紀 70 年代後，我們就再沒重返月球。幾十年前，短短几年間，我們就成功完成了六次登月任務，而此後近半個世紀，美國乃至其他任何國家，都再沒有將人類送上月球。與此同時，我們相關的技術已經有了翻天覆地的進步，尤其是計算機和機器人技術。火箭性能更優，金屬的質量控制水平大幅提升，我們還能製造出比 60 年代末輕便得多、性能也更優越的設備。事實上，美國完全可以輕鬆開展新一輪的登月任務，美國國會也根本不吝於為此撥款，因為納稅人大多不會反對這項開支。歐盟、俄羅斯、中國、日本，坦率地說，幾乎所有二十國集團的國家，都擁有開展登月任務所需的技術和基礎設施。那為什麼至今沒有任何一個國家這麼做呢？
當然，有些人肯定懷疑我們當初根本就沒登上過月球，認為整個登月事件都是偽造的。在這個修圖軟體和計算機圖形技術普及的時代，很難說服這些人。我偶爾會聽到有人說，通過望遠鏡就能看到阿波羅登月的遺址，但這並非事實。即便是哈勃望遠鏡，也沒有足夠的解析度看清月球表面的細節。就算它能看清，我想也無法說服那些質疑者，因為總有人會說視頻信號被動了手腳。我們能從太空中看清地球上的人造物體，但月球與我們的距離，比那些觀測衛星與地球的距離遠了大約一千倍。憑藉我們現有的望遠鏡，哪怕是商用的高端望遠鏡，也無法看到月球上的任何人造物體。
所以很多人認同 「月球騙局」 的說法，我想主要是因為他們實在無法理解，為什麼我們此後再也沒有重返月球，其他國家也沒有這麼做。但現實很簡單：就目前的情況而言，重返月球並沒有太多實際的益處。採集更多的月球岩石樣本或進行鑽探取樣，當然是件好事，但以這樣的成本來看，這並非一項特別緊迫的任務。有很多其他更高優先級的科學研究，花費更低就能開展。就算我們要做這項研究，最終也會使用機器人，而這就失去了我們想要再次將人類送上月球的意義。採集樣本說到底只是我們這麼做的一個藉口，所以當有人不可避免地指出，機器人能以更低的成本、更高效地完成這項工作時，我們最終就會既不送人也不派機器人，因為我們其實並不需要更多的月球岩石樣本。
我猜想，假以時日，即便技術沒有進一步的發展，總會有人再次登上月球。但要讓這項任務不只是一場彰顯國家精神的行動，我們必須有真正的理由讓人類 —— 而非機器人 —— 登上月球。載人火星任務之所以如此吸引人，除了它是向前邁進的一步，而非重複過去的輝煌，還有一個原因是，地球與火星之間的通信存在數分鐘的延遲，而地球與月球之間的延遲只有短短几秒。因此，在月球上，我們幾乎可以實時操控機器人，並不需要有自主思考能力的人類親自在月球上監督各項操作，或是親自出艙行走來推進相關工作。要推動月球探索的發展，我們需要一個真正站得住腳的理由，不僅是將人類送上月球，更是讓人類在月球建立永久的存在，而非僅僅依靠機器人。
那我們來看看，月球擁有哪些地球所沒有的東西。遺憾的是，這個清單並不長。首先，月球缺少地球擁有的兩樣東西：大氣層和引力場。引力是太空旅行的一大阻礙，而月球的引力要小得多，大氣層的情況也是如此。月球擁有而地球稀缺的東西是氦 - 3。說實話，地球上的氦 - 3 儲量極少，月球上的儲量也不算多，但看起來比地球上要多得多。這種相對豐富的氦 - 3 資源，引發了大量關於開採月球氦 - 3 用於核聚變的討論。2009 年有一部製作成本很低但非常優秀的電影叫《月球》，講述的就是月球氦 - 3 開採的故事。當然，近年來各類通俗科普刊物上也刊登了大量相關的文章。
但問題在於，我們目前還沒有能將氦 - 3 用作燃料的核聚變反應堆。去年我們探討過核聚變的影響，其潛力是巨大的：僅僅幾公斤的核聚變燃料，就能產生大約十億千瓦時的電力，價值一億美元。誠然，往返月球的成本不菲，但也並非高得離譜，尤其是當我們在月球建立基地，只需要將開採的氦 - 3 運回地球時。月球往返之旅的成本相對較低，因為月球的引力很小，太空飛行器很容易脫離月球，而地球的引力又能幫助太空飛行器返回，還能讓太空飛行器在重返地球大氣層時減速。
因此，開採氦 - 3 絕對是我們重返月球並在月球長期駐留的一個合理理由。每年只需要運回 10 到 20 噸氦 - 3，就能為美國的電網供電。但話又說回來，我們目前還沒有核聚變反應堆，而且我們開展的主要核聚變研究項目，使用的燃料都不是氦 - 3，而是氘和氚這兩種氫的同位素。因為核聚變的一大難點，是克服庫侖勢壘 —— 兩個帶正電的原子核之間的排斥力。簡單來說，氦 - 3 由兩個質子和一個中子組成，而氚由一個質子和兩個中子組成，氘由一個質子和一個中子組成。讓兩個質子相互靠近是非常困難的，同性電荷相互排斥，而氦 - 3 的質子數是氘和氚的兩倍，所以從基本原理來看，要實現氦 - 3 的核聚變，反應堆內部需要達到的溫度大約是氘氚核聚變的十倍。
氦 - 3 和氘的核聚變反應確實是一種優質的能源，但它的實現難度遠高於氘氚核聚變。而且氘和氚在地球上的儲量相對豐富，核聚變終究是核聚變，只要我們能研製出任何可投入使用的核聚變反應堆，就能徹底改變世界。氦 - 3 相比氘和氚的主要優勢，在於它屬於無中子核聚變，擁有諸多潛在優勢，尤其是在製造緊湊型反應堆方面 —— 這種反應堆不會占據大片城市區域，甚至有可能被安裝在太空飛行器上，而不會讓太空飛行器變得像航空母艦那麼龐大。
儘管核聚變的潛力巨大，但它並不一定能直接應用於太空飛行器，因為反應堆的質量功率比對於太空飛行器來說至關重要。我們探討過很多種如果擁有大量電力可以採用的發射方式，比如質量加速器和發射環，但氦 - 3 核聚變反應以及無中子核聚變反應堆，比氘氚核聚變反應堆更有希望被小型化，成為太空飛行器上實用的動力源。
但即便如此，對於從地球發射的太空飛行器來說，我們也不一定需要從月球獲取氦 - 3 作為燃料。我們之所以重點研究氘氚核聚變，是因為它是目前所有核聚變反應中最容易實現的。理想的核聚變反應堆，除了直接使用普通氫作為燃料的反應堆，就是氘氘核聚變反應堆，因為氘在地球乃至整個宇宙中都非常豐富。氘氘核聚變需要的溫度比氘氚核聚變高，但遠低於氦 - 3 核聚變，而且氘氘核聚變反應堆的副產品就是氚和氦 - 3。如果我們需要氦 - 3，直接從反應堆中提取即可。而且，所有未被利用的氚會衰變成氦 - 3，這也是我們目前獲取氦 - 3 的主要途徑。我們利用氚來提升核聚變炸彈的威力，而氚的半衰期只有十二年左右，所以我們必須從中提取出氦 - 3，再補充新的氚。
值得一提的是，即便氦 - 3 無法用作核聚變燃料，它依然是一種有用的物質。如今氦 - 3 有很多應用場景，每克的價格高達數千美元，是黃金的數百倍。按照目前的市場價格，從月球運回一噸氦 - 3，就能賣到數十億美元。當然，一旦氦 - 3 的供應量大幅增加，其價格預計會大幅下跌。目前美國的氦 - 3 年供應量僅約 8 公斤。這就像我們說小行星上有上百噸鉑，價值數萬億美元，以此來激發人們對小行星採礦的興趣一樣。從稀缺性的基本經濟學原理來看，在我們將所有氦 - 3 賣出之前，它的價值就會大幅縮水。
所以雖然我不想說月球上的氦 - 3 儲量被過度炒作，但我們實際上不太可能為了將其運回地球而大規模開採月球氦 - 3。而且月球上的氦 - 3 儲量也並非那麼豐富，並非像水窪一樣隨處可見，隨手就能收集起來運回地球。月球上氦 - 3 的總體濃度約為十億分之一到十億分之十，在永久陰影區，濃度最高可能達到十億分之五十。因此，如果我們想要每年獲取 10 到 20 噸氦 - 3 來為美國電網供電，每年就需要處理至少十億噸的月球表岩屑。
但氦 - 3 作為星際太空飛行器的燃料，確實有著很大的潛力。也就是說，月球很容易成為早期和中期星際旅行的 「油田」。當然，在太陽系更深處，還有更優質的氦 - 3 來源。但這並非月球能為我們提供幫助的唯一方式，只是最近比較受關注的一種。我們一直在尋找理由，讓人類在月球大規模建立永久基地，讓數十甚至數千人在基地生活工作。即便我們研製出了能使用氦 - 3 的核聚變反應堆，氦 - 3 開採或許也並非那個能讓我們下定決心的理由，除非出於某種原因，這種反應堆成為了唯一具有商業可行性的核聚變反應堆，但這種可能性並不大。不過，無中子核聚變反應堆確實有著諸多顯著優勢，或許會讓這種情況成為現實，但即便如此，可能性依然不大。
那還有哪些其他的理由呢？再次強調，由於月球沒有大氣層和強引力，它是建立基地的理想之地。在月球上採礦要容易得多，在某些方面，利用太陽能供電也比在地球上更便捷。低引力讓採礦和地外運輸都變得輕鬆不少。月球表岩屑中富含氧、矽、鐵、鈣、鋁和鎂，含量依次遞減。我們當然不會為了地球而開採這些資源，因為地球上的儲量十分豐富，但隨著太空基礎設施的逐步完善，這些資源對於建造空間站和太空飛行器來說至關重要。對於地外設施的建造而言，月球是比地球更好的原材料來源，因為我們無需將這些物資穿過數英里厚的大氣層，也無需克服地球的強引力。
太陽能也是月球上一種相當不錯的能源選擇，因為月球接收到的陽光其實比地球更多 —— 地球的大氣層會吸收和反射大量來自太陽的光線。此外，太陽能在地球上的應用往往受限於晝夜交替，天空中的雲層也會讓光照變得非常昏暗。但月球上沒有雲層，而且月球的一天相當於地球上的一個月。月球的周長不到 7000 英里，一天的時長也不到一個月，所以即便是在晝夜分界線移動速度最快的赤道地區，其移動速度也不到每小時 10 英里。在地球上，只有超高速飛機才能追著日落飛行，而在月球上，一架普通的噴氣式飛機就能做到，而且月球上的飛行器不受空氣阻力影響，引力也很小。
因此，在月球上，我們完全可以使用太陽能驅動的機器人車輛，讓它們每月繞月球一周，始終處於陽光照射之下，每月返回基地一次進行維護。我們通常會認為月球基地會採用核能供電，這當然是一種選擇，也可以採用太陽能供電，在長達半個月的黑暗期依靠電池或燃料電池供電。但由於月球上沒有空氣阻力且引力較小，可移動基地也成為了一種可能的選擇。
此外，在月球上建造高塔並非難事，因為月球上沒有風，引力也同樣很小，而且建築越高，在月球的白天能接收到的光照就越多，因為地平線的遮擋會更少。如果將太陽能裝置建在月球極地地區，比如沙克爾頓隕石坑，這些地方有 80% 甚至 90% 的時間都能被陽光照射到。
既然在探討月球基地時，極地地區會被頻繁提及，我就再詳細解釋一下。我們都知道地球上的極晝現象，地球兩極附近的地區會有長達數月的極晝或極夜。我們也經常提到月球的極地基地，以及那些光照時間更長的區域。月球極地地區不僅光照條件特殊，我們還預計在這些區域能找到更多的冰，極地的環形山內部也有冰存在。冰的存在至關重要，因為我們在月球上需要水。月球的極地和赤道附近，都有光照時間極長或極短的區域，但原因與地球並不相同。
在地球上，地球自轉軸相對於太陽的傾斜，導致高緯度地區會在數月內始終朝向太陽，或始終背向太陽。但月球的自轉軸相對於太陽幾乎沒有傾斜，這並非月球存在長時間光照或黑暗區域的原因。有一個概念叫做 「永久光照峰」，指的是在圍繞恆星旋轉的天體上，某個位置可能始終或幾乎始終被陽光照射。這與我們幾個月前探討過的潮汐鎖定行星不同，潮汐鎖定的行星始終是一面朝向恆星，另一面永遠處於黑暗之中。
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這裡還要說明一點，月球並不存在 「暗面」，因為月球是被地球潮汐鎖定的，而非被太陽潮汐鎖定。月球的一天和一年時長相同，都是大約一個地球月。但月球上確實有一些區域有 80% 甚至 90% 的時間都能被陽光照射到，造成這種現象的原因並非自轉軸傾斜或軌道運行模式，而是因為月球的體積比地球小得多，地平線也離得更近，而且月球上沒有風或潮汐侵蝕環形山。
一座一英里高的山峰，在月球上會比在地球上顯得更加突出，而位置越高，各個方向的地平線就越遠。在地球上，如果你爬到高樓、山丘或山峰的頂端，而你的朋友留在旁邊的地面上，你能看到的地平線會比他更遠，所以你會比他更早看到日出，更晚看到日落，你的白天時長也會更長。我們把這個簡單的現象放在山峰上看：當晝夜分界線掃過月球表面時，會先到達山峰的最高點，而當太陽落下時，山峰的最高點會最後失去光照。山峰越高，各個方向的地平線就越遠，這種現象就越明顯。
這種現象在月球上會更加顯著，因為月球的直徑遠小於地球，所以一英里高的物體在月球上會顯得更加突出。同理，如果你身處山谷中，日出會更晚，日落會更早；如果你身處山峰頂端，而山峰東西兩側各有一個大型山谷，這些山谷的位置原本是平坦地形下的地平線，那麼你看到的日出會更早，日落會更晚。同樣的道理，如果你身處月球上的一個深隕石坑中，周圍是高大的隕石坑壁，那麼你能接收到的光照會非常少，甚至比地球上的山谷還要少，因為月球上沒有大氣層，無法從其他方向散射和反射光線。
這種現象在月球極地地區會變得更加明顯，因為從天體自轉軸的旋轉距離來看，極地地區的直徑更小，而這正是遮擋光線的關鍵因素。大家可以看看這些位於同一經度、不同緯度的相同山峰，觀察晝夜分界線掃過它們的過程，就能發現，赤道附近的山峰會更快陷入黑暗。
因此，我們對月球極地基地的興趣由來已久，因為這些區域有光照時間極長的地點，而且這些地點往往緊鄰著永久陰影區。月球極地的永久陰影區是尋找冰的絕佳位置，巧合的是，這些區域的氦 - 3 儲量也預計會更高。因此，將極地基地建在大型隕石坑內是一個不錯的選擇，因為基地附近既有適合安裝太陽能板的最佳位置，能讓太陽能板大部分時間都處於工作狀態，也有能找到更多水冰的黑暗區域。
同樣，由於月球引力微弱且沒有風，我們可以建造非常高大但結構相對簡易的塔，在塔頂安裝太陽能板，進一步延長光照時間，甚至可以只在塔頂安排人員值守。即便如此，我們依然需要電池或燃料電池，但使用的時間會大幅縮短。
我們也可以通過其他方式解決光照問題，比如使用能量衛星將能量傳輸到基地。這些衛星主要由拋物面反光鏡和姿態控制系統組成，在月球本地建造後發射非常容易，這一點我們稍後會詳細探討。通過這些衛星，我們可以讓某個區域始終保持明亮，也可以通過雷射或微波將能量傳輸到接收器。月球的體積並不大，而且地表荒涼，所以我們甚至可以直接在月球表面鋪設電纜，或者建造幾座太陽能塔，將能量傳輸到其他處於陰影中的塔。
在月球上，塔可以建得非常高，因為沒有風的影響，而且微弱的引力對建築材料的壓力也更小。但建造高塔並非唯一的選擇，我們還可以利用材料的抗拉強度，這就是太空電梯的基本原理。
雖然我們目前還沒有能大規模生產、強度足夠支撐地球太空電梯的材料，但在月球上，我們有能力建造太空電梯。月球太空電梯的設計有些特殊，它的長度必須比地球太空電梯更長，而且為了保持穩定，只能朝向兩個方向。因為地球對月球軌道的影響，遠大於月球對地球軌道的影響，所以第一個穩定的方向是正對著地球，第二個則是正背向地球，不過這已經足夠了。
朝向地球的太空電梯，其對接埠的長度需要達到 35000 英里，背向地球的太空電梯，對接埠的長度則需要略超過 40000 英里，而地球太空電梯的長度僅為 22000 英里。造成這種差異的原因是，儘管月球的引力更小，但自轉速度也慢得多。火星的太空電梯會更短，因為火星的一天時長與地球相近，而引力卻小得多。但月球的引力非常微弱，我們並不需要使用超高強度的材料來建造太空電梯，就像在月球上能輕鬆建造高塔一樣，因為沒有風的阻礙，引力的影響也很小。
在月球上建造太空電梯，比在地球上容易得多，這也讓月球成為了為地球周邊太空產業採礦和提供燃料的更佳選擇。但每一座太空電梯的末端都需要一個配重，我們通常會設想用拖入軌道的小行星，或者在月球上建造的大型對接設施來充當配重，配重可以是多個模塊化的艙室或港口。幸運的是，太空電梯的頂端始終處於陽光照射之下，即便其中一座月球太空電梯暫時處於陰影中，月球另一側的另一座也會處於陽光中，我們可以將光線從配重處反射到基地，或者將能量以光束的形式傳輸到基地，甚至可以將能量傳輸到同一半球的任何位置。
因此，兩座太空電梯就足以讓月球的任何區域都獲得光照和能量。月球太空電梯確實是一個絕妙的想法，其附帶的能量和光照優勢讓它更具吸引力，但從實際角度來看，地面太陽能裝置搭配電池或燃料電池，或者直接建造核電站，可能是更實用的選擇。
此外，儘管在月球上建造太空電梯要容易得多，但它的實用性卻遠不如地球太空電梯。我們之前探討過質量加速器、太空炮和發射環，在地球上使用這些設備發射飛行器的一大難題是，需要建造非常長的軌道，才能讓飛行器達到脫離地球引力的速度，同時還要保證加速度足夠低，不會讓人類乘客受到致命傷害。而且，我們還需要將軌道隧道抽成真空，避免空氣阻力，還要將太空炮的炮口延伸到大氣層之外，這讓整個項目的可行性大打折扣。
但在月球上，這些問題都不存在：月球上沒有大氣層，逃逸速度僅為地球的五分之一多一點，這意味著飛行器脫離月球引力所需的能量僅為地球的 4% 到 5%，軌道的長度也可以大幅縮短，而且我們無需將炮口架高到大氣層之上，因為月球根本沒有大氣層。
在地球上，要讓飛行器以 1 個重力加速度加速到地球的逃逸速度，需要近 20 分鐘的加速時間，軌道長度更是達到 4000 英里，軌道塔的高度要遠超我們現有的所有摩天大樓，而且整個軌道必須是密封的真空隧道。而在月球上，以 1 個重力加速度加速到月球的逃逸速度，所需的軌道長度甚至不到 200 英里，軌道可以像普通的鐵軌一樣建造。
儘管在月球上建造高塔比在地球上容易得多，但在月球上我們根本不需要高塔，因為沒有空氣會進入軌道隧道，也不存在空氣阻力和升力的影響。此外，軌道的長度與加速度成反比，所以如果我們不介意讓人類乘客承受 4 個重力加速度的過載，那麼僅需一分多鐘的加速時間，軌道長度只需 50 英里即可；如果只是發射原材料或結構相對堅固的人造物品，那麼即便是 100 個重力加速度的過載也完全可以承受，軌道長度僅需兩英里。
說實話，像鐵這樣的原材料，甚至可以承受 10000 個重力加速度以上的過載，這相當於步槍子彈發射時的加速度，對應的軌道長度僅需 100 英尺。因此，即便我們有能力建造月球太空電梯，也可能不會這麼做，因為太空炮的實用性要高得多，而且也更容易做好防護，抵禦微隕石和太陽輻射的侵襲 —— 這兩者都是月球上的嚴重威脅。
我們甚至可以從月球直接向火星發射飛行器，儘管仍需要火箭燃料，但所需的燃料量會大幅減少，而且我們可以在月球上提煉燃料。正如之前提到的，月球表岩屑中含有大量的氧、鋁和鎂，液氧與鋁或鎂混合，是一種相當不錯的火箭燃料，鋁粉和液氧製成的單組元凝膠推進劑，前景也非常廣闊。
我們探討過從岩石中提取氧氣的方法，這裡簡單總結一下：我們可以利用月球本地的材料，建造大片的太陽能熔爐和蒸餾裝置來生產這種燃料，這些燃料也可以在月球的黑暗期為月球基地供能。飛行器可以通過質量加速器獲得初速度，從月球出發前往火星或小行星，然後依靠燃料進一步加速，在抵達目的地時再利用燃料減速，我們也可以將這些燃料運輸到其他地方。
事實上，一旦相關的基礎設施建成，將燃料從月球運輸到地球軌道的空間站，為從地球軌道出發的飛行器補充燃料，可能比從地球向軌道運輸燃料更划算。具體哪種方式更優，取決於月球燃料精煉廠的建造和維護難度。而隨著機器人技術和 3D 列印技術的不斷發展，建造和維護這類精煉廠的難度可能會大幅降低。
我們確實想要將人類送上月球，但無論如何，機器人肯定會發揮至關重要的作用，尤其是在基地建設的早期階段。如果在太空人抵達月球之前，無人機就能完成初期基地的建造工作，那麼整個任務會變得容易、安全得多，成本也會大幅降低，這就引出了我們的下一個觀點。
經典的月球基地形象中，總會出現大量的玻璃穹頂，但這其實並非一個好主意。人類其實並不需要直接的陽光照射，尤其是未經地球磁層和大氣層過濾、含有大量有害射線的原始陽光，植物在這樣的光照下也無法良好生長。而且玻璃對微隕石的防護能力也很差。
因此，我們不會在月球表面建造建築，即便建了，後續也會用表岩屑將其掩埋。在你與太空之間鋪上幾英尺厚的月球表岩屑，就足以抵禦所有需要防範的威脅。而且由於月球引力較小，支撐這些表岩屑重量的建築結構，無需建造得過于堅固。如果需要引入光照，可以安裝玻璃牆，並將屋頂延伸至玻璃牆上方，然後通過鏡子將光線反射進建築內，這些鏡子可以被設計成不反射有害的射線頻率，而且鏡子所使用的材料不會輕易因撞擊而碎裂。
所以即便是種植糧食作物的區域，也不會直接暴露在露天環境中，而人類的居住區域，會儘可能建在地下深處。在零重力環境下，我們可以通過旋轉結構模擬引力，在低重力的月球上，我們也可以採用同樣的方法。我們需要將月球的自然引力與旋轉產生的人工引力結合起來，這樣在旋轉結構內部，人類感受到的 「下方」 會是一個斜向的方向。月球上沒有空氣，也就沒有空氣阻力，因此維持這種旋轉結構的運轉，並不需要消耗太多能量。
這種設計能讓在月球上生活的人類免受低重力的不良影響，因為長期處於低重力環境中，會對人體造成嚴重的損害。再次強調，如果我們能掌握實用的核聚變技術，所有事情都會變得容易得多 —— 如果我們要開採月球的氦 - 3，自然就會擁有這項技術。但即便沒有核聚變技術，在月球建立基地也絕對是可行的。
至今沒有實現，只是因為成本過高，而且缺乏足夠明確的目標。此外，這項任務需要我們全力以赴，像一些極地資源站那樣，只派遣十幾個人駐守的小型月球基地，並非正確的發展方向，即便是完全由機器人運營也不行。月球並非火星，地月之間的通信延遲只有短短几秒，因此即便是機器人的維護工作，也可以由地球上的人員幾乎實時操控其他機器人來完成。
開展火星著陸任務，並不需要月球基地的支持，但如果我們希望將數千名殖民者送往火星，實現地火之間的常規人員和物資運輸，那麼讓月球成為這條運輸鏈的直接一環，或是為運輸途中的中轉站提供燃料，會讓整個任務變得容易得多。而且如果我們想要在火星開展大規模的探索和開發工作，就必須將人類送往火星，因為地火之間的通信延遲實在太高，無法進行實際的遠程操控。
因此，太陽系深處的任何大規模探索開發任務，都能從月球基地中獲益，因為月球基地能為運輸鏈提供人員、燃料和物資。如果我們擁有足夠先進的機器人 —— 這裡指的是機械性能足夠先進，而非智能水平足夠高 —— 那麼我們完全可以在地球上操控月球上的所有操作，無需在月球部署人員。但如果我們想要讓人類在月球上生活，就需要派遣足夠數量的人員，因為我們要在月球建立一個社區，需要有人種植糧食、烹飪食物、建造棲息地、維修機器人、開展實驗等等。
南極洲的麥克默多站或許是一個很好的參考例子，即便是在冬季，這裡也有大約 250 人駐守，夏季的人數會增加數倍。我們提到過鄧巴數，大約是 150 到 160 人，這裡再提醒一下，這個數字被普遍認為是一個社區的理想規模。當然，由於地月之間的通信延遲只有幾秒，我們也可以派遣更少的人員。
比如，你在月球上給家人打電話，雖然會有一點延遲，一句 「早上好，你還好嗎？」，要等四五秒才能聽到對方的回覆，但這已經能大幅緩解偏遠前哨站少量人員所面臨的心理壓力。當然，也有一些情況，這樣的延遲會造成很大的影響，比如為受傷的人員進行手術，還有很多類型的維護工作，如果依靠機器人無人機和數秒的延遲來完成，至少會變得非常麻煩。
當然，如果我們將人類送往月球，就需要為他們提供食物，因此必須在月球上自主種植糧食。將僅僅一天的口糧送入近地軌道，就需要花費數萬美元的燃料成本，送往月球的成本會更高。因此，要在月球上永久養活 100 人，每年的成本將高達數十億美元。而且，植物還能幫助我們循環利用空氣、水和廢棄物。
這就又回到了光照的問題上，因為月球的一天長達一個月，這意味著除了極地地區，其他區域都要面對長達兩周的黑暗期。即便植物能承受兩周的黑暗，在這段時間裡，它們也無法吸收空氣中的二氧化碳。而兩周的持續光照則不成問題，如果我們通過鏡子或光纖為植物提供光照，只需根據需要遮擋或調整光照方向即可。事實上，很多植物在更長的光照周期下生長得更好，當然也有一些植物並非如此，而且光照周期還會影響很多植物的開花結果，因此光照控制是一項重要但可控的工作。
黑暗期的問題也可以解決，在月球極地的一些區域，光照條件非常理想。總的來說，植物可以承受幾天的弱光或無光環境，我們也可以在光照充足的時期儲存能量，在黑暗期依靠電池、燃料電池甚至火箭燃料為補光燈供電。
說實話，即便在白天，當電力供應充足時，我們也可能會經常開啟補光燈，因為通過增強植物光合作用所需波長的光照，可以促進植物生長，這樣我們就能減少鏡子的使用，還能將農場建得更立體。如果我們希望農場的引力比月球的自然引力更高，這種立體設計就會更加實用。
月球的另一個優勢是，其漫長的黑暗期、低引力和無大氣層的環境，讓它成為建造望遠鏡的理想之地，尤其是新型的液態鏡面望遠鏡，這種望遠鏡可以被建造得無比巨大。液態鏡面望遠鏡的基本原理，其實就是將自然引力和旋轉產生的人工引力結合起來。在地球上，當液體旋轉時，在引力和離心力的共同作用下，會形成一個拋物面，我們可以通過調整旋轉速度，塑造出理想的拋物面反射鏡。
在地球上，我們使用汞來製作液態鏡面，但汞並不適合在月球上使用。不過，我們在離子鹽這類有機化合物的研究上取得了不錯的進展，這類物質可以在月球上製作液態鏡面，而且實際上，在月球上建造這類望遠鏡的成本，可能比在地球上更低。此外，月球上沒有大氣污染和光污染，讓這裡成為了建造望遠鏡的絕佳地點。
還有一種設施，只能建在月球的所謂 「暗面」，那就是巨型雷射器。我們探討過利用雷射器推動飛行器，讓其達到極高的速度，大家或許也聽說過利用雷射器摧毀或偏轉可能撞擊地球的小行星的想法。但巨型雷射器的問題在於，它們的體積龐大，而且具有武器的屬性。月球的 「暗面」 之所以被稱為暗面，是因為這一面永遠不會朝向地球。
因此，太陽系中如果有一個地方能讓我們安心建造巨型雷射器，不用擔心它被用作攻擊地球城市的致命武器，那就是月球暗面。此外，從實際角度來看，如果你仔細計算過巨型雷射器所需的能量，就會發現，除非我們擁有某種科幻作品中的特殊材料來散熱，否則整個雷射器會被自身產生的熱量熔化。在太空中，熱量只能通過輻射的方式散發，因此如果我們將雷射器建在月球這樣的天體內部，不僅能利用月球的岩石保護核心部件，還能通過對流和傳導的方式，將所有熱量散發到月球內部。
這樣一來，我們就不會有巨大的散熱口，也就不會出現像科幻電影中那樣，敵方的戰機可以向散熱口發射魚雷，摧毀這座造價不菲的末日武器的情況。
但總的來說，重返月球的任務，除非我們計劃在月球建立大規模的永久基地，否則並沒有太大的實際意義。而在我們準備好大規模向太陽系深處探索之前，我們不太可能下定決心這麼做。但一旦我們做好了準備，月球就有潛力成為一種無價的資源。
我們目前還未準備就緒，想到自上次人類登月以來，已經過去了近半個世紀，難免會讓人感到有些沮喪。但要知道，南極洲在 19 世紀初就被人類發現，而首次前往南極點的探險任務，直到數十年後的 20 世紀初才開展。1911 年，阿蒙森的探險隊率先抵達南極點，時隔一個月，1912 年 1 月，羅伯特・斯科特帶領的命運多舛的探險隊也抵達了南極點，但最終全隊遇難。
而在首次抵達南極點 45 年後，美國海軍才飛抵南極，建立了阿蒙森 - 斯科特南極站。即便如此，這座科考站直到最近這些年才發展成為大型設施，上世紀 70 年代中期還進行了徹底的重建。
如今，距離那兩次勇敢的南極點探險已經過去了一個多世紀，阿蒙森 - 斯科特南極站已經成為一個繁榮且成果豐碩的科研基地，冬季有數十人駐守，夏季的駐守人數達到 150 人，而這樣的科考站在南極洲還有很多。
美好的事物需要時間來孕育，有能力做一件事，並不意味著就應該去做。我們如今的南極點基地之所以如此完善，是因為它具有實際的價值，對於天體物理和粒子物理研究而言，這裡是至關重要的研究場所。
無論是因為氦 - 3 成為了珍貴的核聚變燃料，還是因為我們需要利用月球為地球周邊或太陽系深處的項目提供原材料和燃料，或是將月球作為前往火星和其他行星、小行星的生命線，又或是為了在月球上建造真正巨大的望遠鏡，亦或是僅僅因為人類的探索欲和不服輸的精神，再或是以上所有原因的結合，月球基地的建成，終將成為現實。
假如我是一名美國人，那我肯定就有這樣一個疑惑:為什麼自上世紀 70 年代後，我們就再沒重返月球。幾十年前，短短几年間，我們就成功完成了六次登月任務，而此後近半個世紀，美國乃至其他任何國家，都再沒有將人類送上月球。與此同時，我們相關的技術已經有了翻天覆地的進步，尤其是計算機和機器人技術。火箭性能更優，金屬的質量控制水平大幅提升，我們還能製造出比 60 年代末輕便得多、性能也更優越的設備。事實上，美國完全可以輕鬆開展新一輪的登月任務，美國國會也根本不吝於為此撥款，因為納稅人大多不會反對這項開支。歐盟、俄羅斯、中國、日本，坦率地說，幾乎所有二十國集團的國家，都擁有開展登月任務所需的技術和基礎設施。那為什麼至今沒有任何一個國家這麼做呢？
當然，有些人肯定懷疑我們當初根本就沒登上過月球，認為整個登月事件都是偽造的。在這個修圖軟體和計算機圖形技術普及的時代，很難說服這些人。我偶爾會聽到有人說，通過望遠鏡就能看到阿波羅登月的遺址，但這並非事實。即便是哈勃望遠鏡，也沒有足夠的解析度看清月球表面的細節。就算它能看清，我想也無法說服那些質疑者，因為總有人會說視頻信號被動了手腳。我們能從太空中看清地球上的人造物體，但月球與我們的距離，比那些觀測衛星與地球的距離遠了大約一千倍。憑藉我們現有的望遠鏡，哪怕是商用的高端望遠鏡，也無法看到月球上的任何人造物體。
所以很多人認同 「月球騙局」 的說法，我想主要是因為他們實在無法理解，為什麼我們此後再也沒有重返月球，其他國家也沒有這麼做。但現實很簡單：就目前的情況而言，重返月球並沒有太多實際的益處。採集更多的月球岩石樣本或進行鑽探取樣，當然是件好事，但以這樣的成本來看，這並非一項特別緊迫的任務。有很多其他更高優先級的科學研究，花費更低就能開展。就算我們要做這項研究，最終也會使用機器人，而這就失去了我們想要再次將人類送上月球的意義。採集樣本說到底只是我們這麼做的一個藉口，所以當有人不可避免地指出，機器人能以更低的成本、更高效地完成這項工作時，我們最終就會既不送人也不派機器人，因為我們其實並不需要更多的月球岩石樣本。
我猜想，假以時日，即便技術沒有進一步的發展，總會有人再次登上月球。但要讓這項任務不只是一場彰顯國家精神的行動，我們必須有真正的理由讓人類 —— 而非機器人 —— 登上月球。載人火星任務之所以如此吸引人，除了它是向前邁進的一步，而非重複過去的輝煌，還有一個原因是，地球與火星之間的通信存在數分鐘的延遲，而地球與月球之間的延遲只有短短几秒。因此，在月球上，我們幾乎可以實時操控機器人，並不需要有自主思考能力的人類親自在月球上監督各項操作，或是親自出艙行走來推進相關工作。要推動月球探索的發展，我們需要一個真正站得住腳的理由，不僅是將人類送上月球，更是讓人類在月球建立永久的存在，而非僅僅依靠機器人。
那我們來看看，月球擁有哪些地球所沒有的東西。遺憾的是，這個清單並不長。首先，月球缺少地球擁有的兩樣東西：大氣層和引力場。引力是太空旅行的一大阻礙，而月球的引力要小得多，大氣層的情況也是如此。月球擁有而地球稀缺的東西是氦 - 3。說實話，地球上的氦 - 3 儲量極少，月球上的儲量也不算多，但看起來比地球上要多得多。這種相對豐富的氦 - 3 資源，引發了大量關於開採月球氦 - 3 用於核聚變的討論。2009 年有一部製作成本很低但非常優秀的電影叫《月球》，講述的就是月球氦 - 3 開採的故事。當然，近年來各類通俗科普刊物上也刊登了大量相關的文章。
但問題在於，我們目前還沒有能將氦 - 3 用作燃料的核聚變反應堆。去年我們探討過核聚變的影響，其潛力是巨大的：僅僅幾公斤的核聚變燃料，就能產生大約十億千瓦時的電力，價值一億美元。誠然，往返月球的成本不菲，但也並非高得離譜，尤其是當我們在月球建立基地，只需要將開採的氦 - 3 運回地球時。月球往返之旅的成本相對較低，因為月球的引力很小，太空飛行器很容易脫離月球，而地球的引力又能幫助太空飛行器返回，還能讓太空飛行器在重返地球大氣層時減速。
因此，開採氦 - 3 絕對是我們重返月球並在月球長期駐留的一個合理理由。每年只需要運回 10 到 20 噸氦 - 3，就能為美國的電網供電。但話又說回來，我們目前還沒有核聚變反應堆，而且我們開展的主要核聚變研究項目，使用的燃料都不是氦 - 3，而是氘和氚這兩種氫的同位素。因為核聚變的一大難點，是克服庫侖勢壘 —— 兩個帶正電的原子核之間的排斥力。簡單來說，氦 - 3 由兩個質子和一個中子組成，而氚由一個質子和兩個中子組成，氘由一個質子和一個中子組成。讓兩個質子相互靠近是非常困難的，同性電荷相互排斥，而氦 - 3 的質子數是氘和氚的兩倍，所以從基本原理來看，要實現氦 - 3 的核聚變，反應堆內部需要達到的溫度大約是氘氚核聚變的十倍。
氦 - 3 和氘的核聚變反應確實是一種優質的能源，但它的實現難度遠高於氘氚核聚變。而且氘和氚在地球上的儲量相對豐富，核聚變終究是核聚變，只要我們能研製出任何可投入使用的核聚變反應堆，就能徹底改變世界。氦 - 3 相比氘和氚的主要優勢，在於它屬於無中子核聚變，擁有諸多潛在優勢，尤其是在製造緊湊型反應堆方面 —— 這種反應堆不會占據大片城市區域，甚至有可能被安裝在太空飛行器上，而不會讓太空飛行器變得像航空母艦那麼龐大。
儘管核聚變的潛力巨大，但它並不一定能直接應用於太空飛行器，因為反應堆的質量功率比對於太空飛行器來說至關重要。我們探討過很多種如果擁有大量電力可以採用的發射方式，比如質量加速器和發射環，但氦 - 3 核聚變反應以及無中子核聚變反應堆，比氘氚核聚變反應堆更有希望被小型化，成為太空飛行器上實用的動力源。
但即便如此，對於從地球發射的太空飛行器來說，我們也不一定需要從月球獲取氦 - 3 作為燃料。我們之所以重點研究氘氚核聚變，是因為它是目前所有核聚變反應中最容易實現的。理想的核聚變反應堆，除了直接使用普通氫作為燃料的反應堆，就是氘氘核聚變反應堆，因為氘在地球乃至整個宇宙中都非常豐富。氘氘核聚變需要的溫度比氘氚核聚變高，但遠低於氦 - 3 核聚變，而且氘氘核聚變反應堆的副產品就是氚和氦 - 3。如果我們需要氦 - 3，直接從反應堆中提取即可。而且，所有未被利用的氚會衰變成氦 - 3，這也是我們目前獲取氦 - 3 的主要途徑。我們利用氚來提升核聚變炸彈的威力，而氚的半衰期只有十二年左右，所以我們必須從中提取出氦 - 3，再補充新的氚。
值得一提的是，即便氦 - 3 無法用作核聚變燃料，它依然是一種有用的物質。如今氦 - 3 有很多應用場景，每克的價格高達數千美元，是黃金的數百倍。按照目前的市場價格，從月球運回一噸氦 - 3，就能賣到數十億美元。當然，一旦氦 - 3 的供應量大幅增加，其價格預計會大幅下跌。目前美國的氦 - 3 年供應量僅約 8 公斤。這就像我們說小行星上有上百噸鉑，價值數萬億美元，以此來激發人們對小行星採礦的興趣一樣。從稀缺性的基本經濟學原理來看，在我們將所有氦 - 3 賣出之前，它的價值就會大幅縮水。
所以雖然我不想說月球上的氦 - 3 儲量被過度炒作，但我們實際上不太可能為了將其運回地球而大規模開採月球氦 - 3。而且月球上的氦 - 3 儲量也並非那麼豐富，並非像水窪一樣隨處可見，隨手就能收集起來運回地球。月球上氦 - 3 的總體濃度約為十億分之一到十億分之十，在永久陰影區，濃度最高可能達到十億分之五十。因此，如果我們想要每年獲取 10 到 20 噸氦 - 3 來為美國電網供電，每年就需要處理至少十億噸的月球表岩屑。
但氦 - 3 作為星際太空飛行器的燃料，確實有著很大的潛力。也就是說，月球很容易成為早期和中期星際旅行的 「油田」。當然，在太陽系更深處，還有更優質的氦 - 3 來源。但這並非月球能為我們提供幫助的唯一方式，只是最近比較受關注的一種。我們一直在尋找理由，讓人類在月球大規模建立永久基地，讓數十甚至數千人在基地生活工作。即便我們研製出了能使用氦 - 3 的核聚變反應堆，氦 - 3 開採或許也並非那個能讓我們下定決心的理由，除非出於某種原因，這種反應堆成為了唯一具有商業可行性的核聚變反應堆，但這種可能性並不大。不過，無中子核聚變反應堆確實有著諸多顯著優勢，或許會讓這種情況成為現實，但即便如此，可能性依然不大。
那還有哪些其他的理由呢？再次強調，由於月球沒有大氣層和強引力，它是建立基地的理想之地。在月球上採礦要容易得多，在某些方面，利用太陽能供電也比在地球上更便捷。低引力讓採礦和地外運輸都變得輕鬆不少。月球表岩屑中富含氧、矽、鐵、鈣、鋁和鎂，含量依次遞減。我們當然不會為了地球而開採這些資源，因為地球上的儲量十分豐富，但隨著太空基礎設施的逐步完善，這些資源對於建造空間站和太空飛行器來說至關重要。對於地外設施的建造而言，月球是比地球更好的原材料來源，因為我們無需將這些物資穿過數英里厚的大氣層，也無需克服地球的強引力。
太陽能也是月球上一種相當不錯的能源選擇，因為月球接收到的陽光其實比地球更多 —— 地球的大氣層會吸收和反射大量來自太陽的光線。此外，太陽能在地球上的應用往往受限於晝夜交替，天空中的雲層也會讓光照變得非常昏暗。但月球上沒有雲層，而且月球的一天相當於地球上的一個月。月球的周長不到 7000 英里，一天的時長也不到一個月，所以即便是在晝夜分界線移動速度最快的赤道地區，其移動速度也不到每小時 10 英里。在地球上，只有超高速飛機才能追著日落飛行，而在月球上，一架普通的噴氣式飛機就能做到，而且月球上的飛行器不受空氣阻力影響，引力也很小。
因此，在月球上，我們完全可以使用太陽能驅動的機器人車輛，讓它們每月繞月球一周，始終處於陽光照射之下，每月返回基地一次進行維護。我們通常會認為月球基地會採用核能供電，這當然是一種選擇，也可以採用太陽能供電，在長達半個月的黑暗期依靠電池或燃料電池供電。但由於月球上沒有空氣阻力且引力較小，可移動基地也成為了一種可能的選擇。
此外，在月球上建造高塔並非難事，因為月球上沒有風，引力也同樣很小，而且建築越高，在月球的白天能接收到的光照就越多，因為地平線的遮擋會更少。如果將太陽能裝置建在月球極地地區，比如沙克爾頓隕石坑，這些地方有 80% 甚至 90% 的時間都能被陽光照射到。
既然在探討月球基地時，極地地區會被頻繁提及，我就再詳細解釋一下。我們都知道地球上的極晝現象，地球兩極附近的地區會有長達數月的極晝或極夜。我們也經常提到月球的極地基地，以及那些光照時間更長的區域。月球極地地區不僅光照條件特殊，我們還預計在這些區域能找到更多的冰，極地的環形山內部也有冰存在。冰的存在至關重要，因為我們在月球上需要水。月球的極地和赤道附近，都有光照時間極長或極短的區域，但原因與地球並不相同。
在地球上，地球自轉軸相對於太陽的傾斜，導致高緯度地區會在數月內始終朝向太陽，或始終背向太陽。但月球的自轉軸相對於太陽幾乎沒有傾斜，這並非月球存在長時間光照或黑暗區域的原因。有一個概念叫做 「永久光照峰」，指的是在圍繞恆星旋轉的天體上，某個位置可能始終或幾乎始終被陽光照射。這與我們幾個月前探討過的潮汐鎖定行星不同，潮汐鎖定的行星始終是一面朝向恆星，另一面永遠處於黑暗之中。
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這裡還要說明一點，月球並不存在 「暗面」，因為月球是被地球潮汐鎖定的，而非被太陽潮汐鎖定。月球的一天和一年時長相同，都是大約一個地球月。但月球上確實有一些區域有 80% 甚至 90% 的時間都能被陽光照射到，造成這種現象的原因並非自轉軸傾斜或軌道運行模式，而是因為月球的體積比地球小得多，地平線也離得更近，而且月球上沒有風或潮汐侵蝕環形山。
一座一英里高的山峰，在月球上會比在地球上顯得更加突出，而位置越高，各個方向的地平線就越遠。在地球上，如果你爬到高樓、山丘或山峰的頂端，而你的朋友留在旁邊的地面上，你能看到的地平線會比他更遠，所以你會比他更早看到日出，更晚看到日落，你的白天時長也會更長。我們把這個簡單的現象放在山峰上看：當晝夜分界線掃過月球表面時，會先到達山峰的最高點，而當太陽落下時，山峰的最高點會最後失去光照。山峰越高，各個方向的地平線就越遠，這種現象就越明顯。
這種現象在月球上會更加顯著，因為月球的直徑遠小於地球，所以一英里高的物體在月球上會顯得更加突出。同理，如果你身處山谷中，日出會更晚，日落會更早；如果你身處山峰頂端，而山峰東西兩側各有一個大型山谷，這些山谷的位置原本是平坦地形下的地平線，那麼你看到的日出會更早，日落會更晚。同樣的道理，如果你身處月球上的一個深隕石坑中，周圍是高大的隕石坑壁，那麼你能接收到的光照會非常少，甚至比地球上的山谷還要少，因為月球上沒有大氣層，無法從其他方向散射和反射光線。
這種現象在月球極地地區會變得更加明顯，因為從天體自轉軸的旋轉距離來看，極地地區的直徑更小，而這正是遮擋光線的關鍵因素。大家可以看看這些位於同一經度、不同緯度的相同山峰，觀察晝夜分界線掃過它們的過程，就能發現，赤道附近的山峰會更快陷入黑暗。
因此，我們對月球極地基地的興趣由來已久，因為這些區域有光照時間極長的地點，而且這些地點往往緊鄰著永久陰影區。月球極地的永久陰影區是尋找冰的絕佳位置，巧合的是，這些區域的氦 - 3 儲量也預計會更高。因此，將極地基地建在大型隕石坑內是一個不錯的選擇，因為基地附近既有適合安裝太陽能板的最佳位置，能讓太陽能板大部分時間都處於工作狀態，也有能找到更多水冰的黑暗區域。
同樣，由於月球引力微弱且沒有風，我們可以建造非常高大但結構相對簡易的塔，在塔頂安裝太陽能板，進一步延長光照時間，甚至可以只在塔頂安排人員值守。即便如此，我們依然需要電池或燃料電池，但使用的時間會大幅縮短。
我們也可以通過其他方式解決光照問題，比如使用能量衛星將能量傳輸到基地。這些衛星主要由拋物面反光鏡和姿態控制系統組成，在月球本地建造後發射非常容易，這一點我們稍後會詳細探討。通過這些衛星，我們可以讓某個區域始終保持明亮，也可以通過雷射或微波將能量傳輸到接收器。月球的體積並不大，而且地表荒涼，所以我們甚至可以直接在月球表面鋪設電纜，或者建造幾座太陽能塔，將能量傳輸到其他處於陰影中的塔。
在月球上，塔可以建得非常高，因為沒有風的影響，而且微弱的引力對建築材料的壓力也更小。但建造高塔並非唯一的選擇，我們還可以利用材料的抗拉強度，這就是太空電梯的基本原理。
雖然我們目前還沒有能大規模生產、強度足夠支撐地球太空電梯的材料，但在月球上，我們有能力建造太空電梯。月球太空電梯的設計有些特殊，它的長度必須比地球太空電梯更長，而且為了保持穩定，只能朝向兩個方向。因為地球對月球軌道的影響，遠大於月球對地球軌道的影響，所以第一個穩定的方向是正對著地球，第二個則是正背向地球，不過這已經足夠了。
朝向地球的太空電梯，其對接埠的長度需要達到 35000 英里，背向地球的太空電梯，對接埠的長度則需要略超過 40000 英里，而地球太空電梯的長度僅為 22000 英里。造成這種差異的原因是，儘管月球的引力更小，但自轉速度也慢得多。火星的太空電梯會更短，因為火星的一天時長與地球相近，而引力卻小得多。但月球的引力非常微弱，我們並不需要使用超高強度的材料來建造太空電梯，就像在月球上能輕鬆建造高塔一樣，因為沒有風的阻礙，引力的影響也很小。
在月球上建造太空電梯，比在地球上容易得多，這也讓月球成為了為地球周邊太空產業採礦和提供燃料的更佳選擇。但每一座太空電梯的末端都需要一個配重，我們通常會設想用拖入軌道的小行星，或者在月球上建造的大型對接設施來充當配重，配重可以是多個模塊化的艙室或港口。幸運的是，太空電梯的頂端始終處於陽光照射之下，即便其中一座月球太空電梯暫時處於陰影中，月球另一側的另一座也會處於陽光中，我們可以將光線從配重處反射到基地，或者將能量以光束的形式傳輸到基地，甚至可以將能量傳輸到同一半球的任何位置。
因此，兩座太空電梯就足以讓月球的任何區域都獲得光照和能量。月球太空電梯確實是一個絕妙的想法，其附帶的能量和光照優勢讓它更具吸引力，但從實際角度來看，地面太陽能裝置搭配電池或燃料電池，或者直接建造核電站，可能是更實用的選擇。
此外，儘管在月球上建造太空電梯要容易得多，但它的實用性卻遠不如地球太空電梯。我們之前探討過質量加速器、太空炮和發射環，在地球上使用這些設備發射飛行器的一大難題是，需要建造非常長的軌道，才能讓飛行器達到脫離地球引力的速度，同時還要保證加速度足夠低，不會讓人類乘客受到致命傷害。而且，我們還需要將軌道隧道抽成真空，避免空氣阻力，還要將太空炮的炮口延伸到大氣層之外，這讓整個項目的可行性大打折扣。
但在月球上，這些問題都不存在：月球上沒有大氣層，逃逸速度僅為地球的五分之一多一點，這意味著飛行器脫離月球引力所需的能量僅為地球的 4% 到 5%，軌道的長度也可以大幅縮短，而且我們無需將炮口架高到大氣層之上，因為月球根本沒有大氣層。
在地球上，要讓飛行器以 1 個重力加速度加速到地球的逃逸速度，需要近 20 分鐘的加速時間，軌道長度更是達到 4000 英里，軌道塔的高度要遠超我們現有的所有摩天大樓，而且整個軌道必須是密封的真空隧道。而在月球上，以 1 個重力加速度加速到月球的逃逸速度，所需的軌道長度甚至不到 200 英里，軌道可以像普通的鐵軌一樣建造。
儘管在月球上建造高塔比在地球上容易得多，但在月球上我們根本不需要高塔，因為沒有空氣會進入軌道隧道，也不存在空氣阻力和升力的影響。此外，軌道的長度與加速度成反比，所以如果我們不介意讓人類乘客承受 4 個重力加速度的過載，那麼僅需一分多鐘的加速時間，軌道長度只需 50 英里即可；如果只是發射原材料或結構相對堅固的人造物品，那麼即便是 100 個重力加速度的過載也完全可以承受，軌道長度僅需兩英里。
說實話，像鐵這樣的原材料，甚至可以承受 10000 個重力加速度以上的過載，這相當於步槍子彈發射時的加速度，對應的軌道長度僅需 100 英尺。因此，即便我們有能力建造月球太空電梯，也可能不會這麼做，因為太空炮的實用性要高得多，而且也更容易做好防護，抵禦微隕石和太陽輻射的侵襲 —— 這兩者都是月球上的嚴重威脅。
我們甚至可以從月球直接向火星發射飛行器，儘管仍需要火箭燃料，但所需的燃料量會大幅減少，而且我們可以在月球上提煉燃料。正如之前提到的，月球表岩屑中含有大量的氧、鋁和鎂，液氧與鋁或鎂混合，是一種相當不錯的火箭燃料，鋁粉和液氧製成的單組元凝膠推進劑，前景也非常廣闊。
我們探討過從岩石中提取氧氣的方法，這裡簡單總結一下：我們可以利用月球本地的材料，建造大片的太陽能熔爐和蒸餾裝置來生產這種燃料，這些燃料也可以在月球的黑暗期為月球基地供能。飛行器可以通過質量加速器獲得初速度，從月球出發前往火星或小行星，然後依靠燃料進一步加速，在抵達目的地時再利用燃料減速，我們也可以將這些燃料運輸到其他地方。
事實上，一旦相關的基礎設施建成，將燃料從月球運輸到地球軌道的空間站，為從地球軌道出發的飛行器補充燃料，可能比從地球向軌道運輸燃料更划算。具體哪種方式更優，取決於月球燃料精煉廠的建造和維護難度。而隨著機器人技術和 3D 列印技術的不斷發展，建造和維護這類精煉廠的難度可能會大幅降低。
我們確實想要將人類送上月球，但無論如何，機器人肯定會發揮至關重要的作用，尤其是在基地建設的早期階段。如果在太空人抵達月球之前，無人機就能完成初期基地的建造工作，那麼整個任務會變得容易、安全得多，成本也會大幅降低，這就引出了我們的下一個觀點。
經典的月球基地形象中，總會出現大量的玻璃穹頂，但這其實並非一個好主意。人類其實並不需要直接的陽光照射，尤其是未經地球磁層和大氣層過濾、含有大量有害射線的原始陽光，植物在這樣的光照下也無法良好生長。而且玻璃對微隕石的防護能力也很差。
因此，我們不會在月球表面建造建築，即便建了，後續也會用表岩屑將其掩埋。在你與太空之間鋪上幾英尺厚的月球表岩屑，就足以抵禦所有需要防範的威脅。而且由於月球引力較小，支撐這些表岩屑重量的建築結構，無需建造得過于堅固。如果需要引入光照，可以安裝玻璃牆，並將屋頂延伸至玻璃牆上方，然後通過鏡子將光線反射進建築內，這些鏡子可以被設計成不反射有害的射線頻率，而且鏡子所使用的材料不會輕易因撞擊而碎裂。
所以即便是種植糧食作物的區域，也不會直接暴露在露天環境中，而人類的居住區域，會儘可能建在地下深處。在零重力環境下，我們可以通過旋轉結構模擬引力，在低重力的月球上，我們也可以採用同樣的方法。我們需要將月球的自然引力與旋轉產生的人工引力結合起來，這樣在旋轉結構內部，人類感受到的 「下方」 會是一個斜向的方向。月球上沒有空氣，也就沒有空氣阻力，因此維持這種旋轉結構的運轉，並不需要消耗太多能量。
這種設計能讓在月球上生活的人類免受低重力的不良影響，因為長期處於低重力環境中，會對人體造成嚴重的損害。再次強調，如果我們能掌握實用的核聚變技術，所有事情都會變得容易得多 —— 如果我們要開採月球的氦 - 3，自然就會擁有這項技術。但即便沒有核聚變技術，在月球建立基地也絕對是可行的。
至今沒有實現，只是因為成本過高，而且缺乏足夠明確的目標。此外，這項任務需要我們全力以赴，像一些極地資源站那樣，只派遣十幾個人駐守的小型月球基地，並非正確的發展方向，即便是完全由機器人運營也不行。月球並非火星，地月之間的通信延遲只有短短几秒，因此即便是機器人的維護工作，也可以由地球上的人員幾乎實時操控其他機器人來完成。
開展火星著陸任務，並不需要月球基地的支持，但如果我們希望將數千名殖民者送往火星，實現地火之間的常規人員和物資運輸，那麼讓月球成為這條運輸鏈的直接一環，或是為運輸途中的中轉站提供燃料，會讓整個任務變得容易得多。而且如果我們想要在火星開展大規模的探索和開發工作，就必須將人類送往火星，因為地火之間的通信延遲實在太高，無法進行實際的遠程操控。
因此，太陽系深處的任何大規模探索開發任務，都能從月球基地中獲益，因為月球基地能為運輸鏈提供人員、燃料和物資。如果我們擁有足夠先進的機器人 —— 這裡指的是機械性能足夠先進，而非智能水平足夠高 —— 那麼我們完全可以在地球上操控月球上的所有操作，無需在月球部署人員。但如果我們想要讓人類在月球上生活，就需要派遣足夠數量的人員，因為我們要在月球建立一個社區，需要有人種植糧食、烹飪食物、建造棲息地、維修機器人、開展實驗等等。
南極洲的麥克默多站或許是一個很好的參考例子，即便是在冬季，這裡也有大約 250 人駐守，夏季的人數會增加數倍。我們提到過鄧巴數，大約是 150 到 160 人，這裡再提醒一下，這個數字被普遍認為是一個社區的理想規模。當然，由於地月之間的通信延遲只有幾秒，我們也可以派遣更少的人員。
比如，你在月球上給家人打電話，雖然會有一點延遲，一句 「早上好，你還好嗎？」，要等四五秒才能聽到對方的回覆，但這已經能大幅緩解偏遠前哨站少量人員所面臨的心理壓力。當然，也有一些情況，這樣的延遲會造成很大的影響，比如為受傷的人員進行手術，還有很多類型的維護工作，如果依靠機器人無人機和數秒的延遲來完成，至少會變得非常麻煩。
當然，如果我們將人類送往月球，就需要為他們提供食物，因此必須在月球上自主種植糧食。將僅僅一天的口糧送入近地軌道，就需要花費數萬美元的燃料成本，送往月球的成本會更高。因此，要在月球上永久養活 100 人，每年的成本將高達數十億美元。而且，植物還能幫助我們循環利用空氣、水和廢棄物。
這就又回到了光照的問題上，因為月球的一天長達一個月，這意味著除了極地地區，其他區域都要面對長達兩周的黑暗期。即便植物能承受兩周的黑暗，在這段時間裡，它們也無法吸收空氣中的二氧化碳。而兩周的持續光照則不成問題，如果我們通過鏡子或光纖為植物提供光照，只需根據需要遮擋或調整光照方向即可。事實上，很多植物在更長的光照周期下生長得更好，當然也有一些植物並非如此，而且光照周期還會影響很多植物的開花結果，因此光照控制是一項重要但可控的工作。
黑暗期的問題也可以解決，在月球極地的一些區域，光照條件非常理想。總的來說，植物可以承受幾天的弱光或無光環境，我們也可以在光照充足的時期儲存能量，在黑暗期依靠電池、燃料電池甚至火箭燃料為補光燈供電。
說實話，即便在白天，當電力供應充足時，我們也可能會經常開啟補光燈，因為通過增強植物光合作用所需波長的光照，可以促進植物生長，這樣我們就能減少鏡子的使用，還能將農場建得更立體。如果我們希望農場的引力比月球的自然引力更高，這種立體設計就會更加實用。
月球的另一個優勢是，其漫長的黑暗期、低引力和無大氣層的環境，讓它成為建造望遠鏡的理想之地，尤其是新型的液態鏡面望遠鏡，這種望遠鏡可以被建造得無比巨大。液態鏡面望遠鏡的基本原理，其實就是將自然引力和旋轉產生的人工引力結合起來。在地球上，當液體旋轉時，在引力和離心力的共同作用下，會形成一個拋物面，我們可以通過調整旋轉速度，塑造出理想的拋物面反射鏡。
在地球上，我們使用汞來製作液態鏡面，但汞並不適合在月球上使用。不過，我們在離子鹽這類有機化合物的研究上取得了不錯的進展，這類物質可以在月球上製作液態鏡面，而且實際上，在月球上建造這類望遠鏡的成本，可能比在地球上更低。此外，月球上沒有大氣污染和光污染，讓這裡成為了建造望遠鏡的絕佳地點。
還有一種設施，只能建在月球的所謂 「暗面」，那就是巨型雷射器。我們探討過利用雷射器推動飛行器，讓其達到極高的速度，大家或許也聽說過利用雷射器摧毀或偏轉可能撞擊地球的小行星的想法。但巨型雷射器的問題在於，它們的體積龐大，而且具有武器的屬性。月球的 「暗面」 之所以被稱為暗面，是因為這一面永遠不會朝向地球。
因此，太陽系中如果有一個地方能讓我們安心建造巨型雷射器，不用擔心它被用作攻擊地球城市的致命武器，那就是月球暗面。此外，從實際角度來看，如果你仔細計算過巨型雷射器所需的能量，就會發現，除非我們擁有某種科幻作品中的特殊材料來散熱，否則整個雷射器會被自身產生的熱量熔化。在太空中，熱量只能通過輻射的方式散發，因此如果我們將雷射器建在月球這樣的天體內部，不僅能利用月球的岩石保護核心部件，還能通過對流和傳導的方式，將所有熱量散發到月球內部。
這樣一來，我們就不會有巨大的散熱口，也就不會出現像科幻電影中那樣，敵方的戰機可以向散熱口發射魚雷，摧毀這座造價不菲的末日武器的情況。
但總的來說，重返月球的任務，除非我們計劃在月球建立大規模的永久基地，否則並沒有太大的實際意義。而在我們準備好大規模向太陽系深處探索之前，我們不太可能下定決心這麼做。但一旦我們做好了準備，月球就有潛力成為一種無價的資源。
我們目前還未準備就緒，想到自上次人類登月以來，已經過去了近半個世紀，難免會讓人感到有些沮喪。但要知道，南極洲在 19 世紀初就被人類發現，而首次前往南極點的探險任務，直到數十年後的 20 世紀初才開展。1911 年，阿蒙森的探險隊率先抵達南極點，時隔一個月，1912 年 1 月，羅伯特・斯科特帶領的命運多舛的探險隊也抵達了南極點，但最終全隊遇難。
而在首次抵達南極點 45 年後，美國海軍才飛抵南極，建立了阿蒙森 - 斯科特南極站。即便如此，這座科考站直到最近這些年才發展成為大型設施，上世紀 70 年代中期還進行了徹底的重建。
如今，距離那兩次勇敢的南極點探險已經過去了一個多世紀，阿蒙森 - 斯科特南極站已經成為一個繁榮且成果豐碩的科研基地，冬季有數十人駐守，夏季的駐守人數達到 150 人，而這樣的科考站在南極洲還有很多。
美好的事物需要時間來孕育，有能力做一件事，並不意味著就應該去做。我們如今的南極點基地之所以如此完善，是因為它具有實際的價值，對於天體物理和粒子物理研究而言，這裡是至關重要的研究場所。
無論是因為氦 - 3 成為了珍貴的核聚變燃料，還是因為我們需要利用月球為地球周邊或太陽系深處的項目提供原材料和燃料，或是將月球作為前往火星和其他行星、小行星的生命線，又或是為了在月球上建造真正巨大的望遠鏡，亦或是僅僅因為人類的探索欲和不服輸的精神，再或是以上所有原因的結合，月球基地的建成，終將成為現實。