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回顧:比月球亮8倍!原定2020年發射人造月亮,為啥沒有下文了?

2024-06-26科學

綜述

2018年,中國的天府系統科學院提出了一個大膽的計劃,他們準備向太空發射人造月亮。 並且在2020年發射一顆,到了2022年再發射三顆。不過就像我們知道的,現在中國都已經把月壤帶回來了,而這個人造月球計劃,怎麽直接沒有下文

Tips:人造月亮的構想最早源於一位法國藝術家的想法:「在地球上空掛一圈鏡子做成的項鏈,讓它們一年四季把陽光反射到巴黎的大街小巷。」有人擔憂人為地從太空反射陽光到地面會影響地上生物作息、天文觀測等。

在回答這個問題之前,我們不妨先說說人造月球的用處和這個離我們最近的鄰居,月亮。

要說月球是怎麽來的,到現在還沒有定論,它的來源撲朔迷離, 甚至有些無良的行銷號會信誓旦旦得稱,月球其實是外星人派到地球附近,用來監視人類的人造衛星。 當然這些子虛烏有的推論和假設都是毫無科學根據的,只需要一個反例就能把這些無端造謠的人辯得啞口無言。

月球的年齡已經有40多億年了 ,那個時候,地球還是一個巖漿翻滾,環境惡劣的「大火球」,細菌這樣的微生物,都要再過10多億年才會出現。這時候就跑過來監視地球,看了個什麽勁呢?

Tips:月球是太陽系中體積第五大的衛星,其平均半徑約為1737.10千米,相當於地球半徑的0.273倍;質素則接近7.342×1022千克,相當於地球的0.0123倍。

關於月球的來源,現在學界眾說紛紜。比較靠譜的理論有這麽幾個,潮汐分裂說,同源說和俘獲說以及撞擊說。

潮汐分裂說與同源說

先說潮汐分裂說和同源說。這兩種說法大抵類似,只是在細節上有所不同。他們認為地球和月球是一對雙胞胎兄弟,都誕生於剛剛形成的太陽系之中。

46億年前,一片巨大的分子雲的中心,由於重力作用相互聚合,形成了年輕的太陽。而分子雲的外圍,圍繞它的行星,也在陸續出現。其中一片富含鐵和鎳的雲帶漸漸聚合,形成了地球。在這裏,分裂說和同源說產生了分歧。

Tips:分子雲(molecular cloud),是星際雲的一種,它的密度和大小允許分子──最常見的是氫分子(p)──的形成。 它的密度高到可以開始產生分子。

潮汐分裂說認為,這片雲帶最初只形成了一顆行星,也就是地球。不過這時,剛形成的地球自轉速度非常之快,再加上太陽重力對地球的潮汐作用,導致這個還處在熔融狀態的大鐵球出現分裂,一小部份輕質的物質被甩了出去,堆積在近地軌域附近。

之後,這些物質再次聚集,形成了月球。 而同源說則認為,月球和地球同時在這片雲帶中形成,幸運的是,地球聚集的速度比較快,變成了大個的行星,而月球重力小,被地球捕獲變成了衛星。

Tips:地球與月球的平均距離是 384403.9千米。月球與地球近地點的距離是36.3萬千米,與地球遠地點的距離是40.6萬千米。

這兩種說法在起初阿波羅登月時被科學家印證,因為從帶回來的月壤樣本來看,月球表面的成分和地殼成分差不多,都是一些矽酸鹽和部份金屬。不過,經過更多的探測之後,這兩個學說似乎有些站不住腳了。

因為根據次聲波探測月球內部的實驗發現,月球的內核也同樣疏松,不像地球,中心一顆熔融狀態的大鐵球,這也解釋了為什麽月球幾乎沒有磁場。 如果說月球和地球是雙胞胎兄弟,那麽它們內外的差別,不會這麽大。

Tips:阿波羅計劃(英文:Apollo program),是美國在1961年到1972年組織實施的一系列載人登月飛行任務。目的是實作載人登月飛行和人對月球的實地考察,為載人行星飛行和探測進行技術準備,它是世界航天史上具有劃時代意義的一項成就。

俘獲說和撞擊說

於是,另外兩種學說開始被人關註,也就是俘獲說和撞擊說。

俘獲說認為,月球並不是和地球同處一片的雲帶中產生的。 它可能來自太陽系更外側的雲帶,也可能壓根就不是太陽系的所有物。而是在於地球擦身而過的時候,被地球意外捕獲的。不過這個學說也有解釋不了的地方,既然出身不同,表面的成分,怎麽會如此相似呢?

並且最難以解釋的地方在於,這麽一個小天體,渾身上下布滿了融化的痕跡。說明它曾經也是一個大火球,漸漸冷卻後才形成了現在的月亮。但是,從月球那微弱的重力考慮,它沒有那麽大的力量在形成之初處於融化的狀態。

Tips:月球重力場是指月球的重力強度和分布,經阿波羅號宇宙飛船速度變化的高精度測量,對月球重力場變化進行了詳細制圖。環月軌域探測器測定了月球背面的重力場。發現雨海、澄海、危海、史密斯海、濕海、灑海等都有重力正異常,其中雨海、澄海的正異常最大達220x 10-*米/秒。

於是,學者們提出了另外一種可能。 當初這顆外來的小天體,不僅僅被地球重力捕獲,而且還徑直撞向了地球。

這個理論認為,45億年前的地球要比現在大一些,質素比現在要大十分之一。 而在稍遠一些的地方,形成了一個略小一點的行星,大小和火星差不多,也可以叫它原月球。結果,因為這兩顆剛形成的行星距離太近,所以最終擦槍走火導致碰撞。

地球的地殼部份因此損失了十分之一,更多的物質因高溫蒸發,飛出了地球的軌域,完全損失。而其中一小部份留在了地球軌域附近,漸漸聚合,變成了如今的月亮。

這個理論很好得解釋了月球為什麽成分和地球地殼相近,內部卻不盡相同的原因,也是現在學界最主流的說法。

Tips:月球化學成分是指組成月殼的主要巖石斜長巖和玄武巖的化學成分為SiO2 ,AL2O3 ,Fe0,Mg0 ,CaO ,T102 。月球包括月殼、月幔、月核。

總之不管原因是什麽,月球這顆小小的衛星,在之後的40多億年裏,成為了地球最強大的保護傘。 它為我們擋下了大多數小行星沖擊,擡頭看看月亮,上面密密麻麻的撞擊坑,就是它的功勛章。 只不過6500萬年前,地球還是沒有躲過劫難,被一顆直徑10公裏的小行星撞擊,引發了白堊紀物種大滅絕。

當然,科學家計劃發射人造月亮,不是為了給地球增加新的保護傘。說實話,運送那麽多東西到近地軌域,人類根本做不到。

首個國家制造出人造月亮

Tips:1993年2月4日俄羅斯航天局在自己的空間站實施了「人造月亮」的計劃,原理很簡單,既然月亮會發光是因為太陽光的反射,那我們也弄一面大鏡子反射太陽光就行了,這個計劃也確實成功了,他們成功反射了太陽光

想要人造月亮,其實是為了給我們自己節省電費。

歷史上,最早嘗試和發射人造月亮的國家是俄羅斯。因為俄羅斯的部份國土位於北極圈之中,這就導致了一個尷尬的問題,受極夜的影響,俄羅斯的部份國土,連續半年見不到陽光。 但是僅靠路燈照明,一是亮度不夠,二來也非常費電。 所以俄羅斯的科學家才計劃發射人造月亮,利用反射太陽光的方式,為這部份國土提供照明。

和平號空間站(俄語:Мир,兼有「和平」與「世界」之意)是蘇聯建造的一個軌域空間站,蘇聯解體後歸俄羅斯。它是人類首個可長期居住的空間研究中心,同時也是首個第三代空間站,經過數年由多個模組在軌域上組裝而成。

俄羅斯一共嘗試了2次,第一次在1933年。俄羅斯用從自己的和平號空間站中,透過一艘貨運飛船展開了一個小小的薄膜反射鏡。 這個反射鏡透過自轉的方式,把自己甩開,變成一面直徑20米的圓形鏡子。最終,這個小小的鏡面,向地球投射出了一道直徑長達4公裏的光柱,亮度如同滿月。

1993年2月4日莫斯科時間4時,居住在寒冷的俄羅斯北方的居民在朦朧的夜色中看到了一個蔚為壯觀的景象:一個從來沒有見過的新奇的"月亮"緩緩劃過夜空,從約300公裏的高空象探照燈那樣將一束暗淡的光束投向夜幕下的大地,在地面上形成一個直徑約4公裏,其亮度低但也明顯可見,快速移動的光碟。

當時,只要是和和平號空間站軌域相近的陸地,都能有幸一睹人造月亮的光輝,據說站在它的光芒下,大概可以看清報紙上的標題。

不過,這個一掃而過的反射鏡並沒有多少利用價值,只是印證了計劃的可行性。於是在1999年,俄羅斯又發射了一顆人造月亮。 這次的人造月亮直徑達到了25米,而且還可以透過改變鏡面角度,讓反射下來的光束待在一個地方達數分鐘之久。

按照計劃,它能照亮地面方圓七公裏的範圍,而且因為使用了反射度更高的鏡面,這次的亮度可以達到滿月的5到7倍。

1999年2月4日,俄羅斯M40貨運飛船攜帶了一面反射鏡進入太空,進行代號為「旗幟2·5」的陽光反射試驗。

然而可惜的是,1999年2月4日,第二顆人造月亮在離開和平號空間站,像上次那樣利用自轉開啟的時候,卻出了岔子。

由於未知的原因,和平號空間站開啟了天線,結果和正在旋轉展開的人造月亮纏繞在了一起。雖然和平號上的太空人多次搶救,但是人造月亮上脆弱的薄膜鏡面還是被撕碎了。 於是,這顆人造月亮只好啟動了自毀程式,墜入地球大氣層中,化成了一道流星。

這時,年輕的俄羅斯正在遭受蘇聯解體後的經濟動蕩,出於預算不足的考慮,俄羅斯的人造月亮計劃宣布終止。

中國首次制造人造月亮

那麽,中國在2018年宣布的人造月亮計劃,怎麽也開始延期了呢?

航天科工微電子系統研究院有限公司於2017年01月18日成立

其實,提出這個人造月亮計劃的,是一家「軍民融合」企業,也就是成都航天科工微電子系統研究院有限公司。這個企業成立於2017年,非常年輕。作為一家民營和軍工雙結合的示範專案,他們確實需要宣傳的噱頭。而人造月亮,就是這麽一個,到現在還沒有正式實施的計劃。

由於人造月亮執行在近 地軌域速度太快,不能保持固定的照射範圍,如果強行將它們擡升到同步軌域,反射光斑的亮度會顯著下降,達不到預期效果。其次,人造月亮在太空中的精細操作十分困難,要把十數面鏡面完美展開屬實不易。

其實,發射人造月亮,這個設想可以實作,但實際做起來困難重重。 首先是經費上的考慮。按照當初的設想,發射的人造月亮將為成都市區提供夜間照明,反射的光束直徑將會達到10至80公裏,而且控制範圍可以在幾十米之內。這麽龐大的計劃,需要的資金難以預計,什麽時候路燈省下來的電費,才能抵得上成本都是一個未知數。

據聯合國能源統計資料,1997年世界總發電量為139487億 kw·h,其中火電占64%,水電占18.4%,核電占17.2%,地熱及其它能源發電占0.4%。1990年以來世界發電量以較快速度增長,2005年比2004年增長3.7%,比1990年增長53%,達18184TWh。

另外,這種巨大的鏡面,估計很難實作自由收放,那麽它將引發國際問題。 因為按照計劃,人造月亮總共會發射三顆,輪番照亮成都。那麽轉到其他地方的人造月亮,照亮了他國的版圖,我們是該收外國人的照明費呢,還是人家告我們光汙染呢?所以,中國的人造月亮的控制系統,要比當初俄羅斯的設計復雜許多。它需要在不照射成都的時候,把鏡面又收回去,或者完全不向地球反光。

光汙染是繼廢氣、廢水、廢渣和雜訊等汙染之後的一種新的環境汙染源,主要包括白亮汙染、人工白晝汙染和彩光汙染。光汙染正在威脅著人們的健康。

另外,還有一個遭人詬病的問題,在該計劃剛剛宣布的時候,就被不少人提起。成都本來就很熱了,結果到了晚上你還要拿面鏡子曬太陽。冬天還好說,剛好彌補一下成都沒有暖氣的遺憾,可到了夏天,熱得還能睡得著嗎?

為此成都人開更多的空調,結果到底是省電,還是費電呢?當然,還有人擔心,過亮的夜晚會不會導致人體生物鐘紊亂。盡管研究人員指出,人造月亮的亮度,僅相當於日落時的太陽,不會造成生物鐘紊亂。但是它的負面影響,也只有真正實施的時候,才能知道。

生物鐘又稱生理鐘。它是生物體內的一種無形的「時鐘」,實際上是生物體生命活動的內在節律性,是由生物體內的時間結構序所決定。研究生物鐘,在醫學上有著重要的意義,並對生物學的基礎理論研究起著促進作用。

結語

就像上面所說的,人造月亮費錢不說,負面影響還無法估量,到現在變成了一個噱頭,也是情有可原的。

不過,人造月亮依舊值得研究,不過方向並不是民用,而是在軍用和航天領域。在近地軌域放一面反射鏡,做成凸面的,可以用來散射太陽光,代替路燈。

那麽我們反過來,做成凹面的,匯集陽光,就像一個懸在天上的放大鏡,可不可以用來攻擊敵方呢?像這樣的設想,二戰時期的德國科學家也曾考慮過。 他們的計劃更天真爛漫,計劃把一個超大型的凸透鏡送上近地軌域。燒毀敵方的重要設施,就像小時候我們用放大鏡燒死螞蟻一樣簡單。

德國構想在宇宙空間裝配一個巨大的反射鏡,作為人造衛星送入宇宙軌域,用方向控制火箭調整它的角度,把太陽光線集中起來,使熱焦點對著下面的敵方城市,使其燒毀。

當然,這種處在設想中的武器,完全不具備可行性。一方面要求的鏡面太大,就連大國也無力承擔,而且控制系統要求過於超前。有這功夫,不如直接研究天基導彈,讓衛星直接發射超高音速飛彈要簡單得多。實際上,美國已經開始計劃這麽幹了。

最後,還有航天上的套用。 太陽一直都在向四周發射出大量輻射,被我們叫做太陽風。 如果我們可以把鏡面的反射率做得足夠高,重量又足夠小,那麽這個人造月亮就會變成太陽帆。借此,便可以在乘著太陽,在宇宙中遨遊。

太陽帆(英文名:Solar sails)是利用太陽光的光壓進行宇宙航行的一種航天器。由於光壓對航天器的推力很小,以及空氣阻力的存在,航天器不能從地面起飛,但在沒有空氣阻力存在的太空,這種小小的推力仍然能為有足夠帆面面積的太陽帆提供 10e-5~ 10e-3g左右的加速度。

這個計劃各國都有想法,不過礙於材料上的限制,遲遲沒有實施。可能在不久的將來,太陽帆或許能真的實作。飛船就可以在太陽的推動下,接近木星軌域,再借助「重力彈弓」的加速,實作星際旅行。

而這一切,似乎都要看,成都航天科工微電子系統研究院,到底有沒有野心,實作自己成立之初許下的諾言了。