垂直城市——未来的城市

如何快速地在月球上建一座城市

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月球的基本数据:

半径:1737公里;
表面积:3793万平方公里,比亚洲小,比非洲大;
赤道周长:10921公里
逃逸速度:2.38公里/秒;10公里高处环绕速度:1.674公里/秒
表面重力加速度:1.62米/秒平方,约地球的六分之一
赤道表面温度:最低-173℃,最高117℃,平均-53℃
表面气压:白天万亿分之一大气压,夜间千万分之一大气压,几乎是绝对真空
表面岩石主要成分:

内部结构:

月壳厚度约50公里(地球方向),背面约65公里。
月幔厚度约1200公里,固态岩质,有较多铁。
部分熔融的外核厚度260公里,固态铁质内核半径240公里。

建筑城市的一般考虑:

月球表面没有空气,宇宙辐射严重,还有小流星的伤害,所以城市应该建在地表以下,或者建一个很厚的穹顶。

穹顶的考虑:

对于住人的城市,需要一个大气压左右的空气。穹顶必须能够产生一个大气压的压力(也可以大于一个大气压,这样需要下部结构支撑)。在月球环境中,由于重力只有地球的六分之一,因此需要6倍的重物才能产生足够的压强。月壤密度约3克/立方厘米,333厘米乘以6,等于20米,也就是穹顶的厚度必须超过20米。只要厚度足够,下面也有支撑,不一定非要做成穹顶,可以一直铺开很大面积。由于月球的重力小,对下面支撑能力的要求只有地球的六分之一,换言之,支撑之间的距离可以很大,也就是地下空间可以做得很空旷。
20米以上的土壤,有很好的保温能力,穹顶下面气温几乎不受外面的影响,可以维持在一个舒适的温度。
20米的土壤,也可以把宇宙辐射和微流星挡在外面,很好地保护下面的城市。
如果不使用穹顶结构,而直接挖掘隧道,那么可以更深一些,利用隧道穹顶的支撑。

材料的考虑:

在月球上建设城市使用的材料,当然应该全部利用本地资源,也就是月球的土壤,岩石等。如果需要大量使用金属材料,也应该直接利用月球土壤冶炼。

建筑施工方案:

月球表面土壤固结性很差,需要固结才能变成建筑结构材料。
月球表面水非常少,不可能利用水合作用作为固结方案。简单的方法是直接烧结。由于月球表面是真空,阳光非常好,能量密度高,而且散热条件很差,因为没有空气对流,所以可以直接利用反光板聚焦,将月球土壤融化固结。融化的土壤也可以作为粘接剂,切割大块岩石粘合。
切割采用激光切割。月球表面太阳能发电效率很高,激光只需要用电,没有别的材料消耗。月球表面也没有空气耗散激光,激光器可以远距离工作,切割或加工大范围的材料。
月球重力小,就可以很容易地树立非常大面积的反光板,再加上散热条件差,也就是保温好,可以大面积地融化月球土壤,固结土地,平整地面,或者用模具或3d打印制作建筑构件。融化后的月球土壤岩浆,可以用耐高温金属管道抽送到任何一个地方铸造或3d打印各种结构。既可筑路,也可以盖房子。
由于月球的重力小,大件材料的搬运也很方便。

金属冶炼:

在月球的城市建设中,一定也会用到大量的金属材料。这就需要一种便宜的大规模冶金方案。最简单的方式就是电解,对原材料几乎没有什么要求。因为阳光资源特别丰富,我们可以认为月球表面电力供应充沛。月球土壤的构成主要是各种金属氧化物,融化以后电解,直接得到金属和氧气。氧气开始的时候,只能作为废物排放掉,也可以收集起来,埋在地底,供以后城市生活使用。由于月球表面是真空,没有水分氧气等的侵蚀,所有金属都可以直接使用,包括在地球上无法直接使用的钙、镁等。利用太阳能需要大量使用的硅,也可以电解得到,而且月球上表面的真空条件更适合硅单晶生产。用硅,镁、铝、钙等就可以制作大量太阳能板,保障充足的电能供应。

地下城市建设:

有了充足的电力供应,金属材料供应,建筑材料供应,就可以大规模建设地下城市了。无论是采用穹顶建设的模式,还是隧道掘进的模式,在月球上施工都比地球上简单的多。首先大件材料运输容易得多,丰富的熔融岩浆是万能材料,在城市建成投入运营之前,完全没有空气污染,噪音污染的问题。由于没有地下水,隧道掘进没有地球上施工最讨厌的透水问题,废渣搬运也特别快,特别方便,也可以直接融化成岩浆使用。重力小,对支护的要求低,石头往下掉,都掉得非常慢。融化的岩浆也可以直接涂在隧道表面作为支护。最大的问题是散热,可以使用热管,将热量带到外面去。