1969 年，尼尔·阿姆斯特朗在月球表面迈出了“人类的一大步”，他穿着靴子的脚陷入一层细密的灰色尘埃中，留下了一个印记，这成为了历史上最著名的照片之一。科学家称这种尘埃为月球风化层，源自希腊语中的 rhegos（意为“毯子”）和 lithos（意为“石头”）。当时，科学家们认为风化层只是月球景观的一部分，不过是美国国旗插放的背景而已。
现在不同了。从那时起，月球科学家对月球有了很多了解。他们发现，月球定居面临的最大挑战之一——与新型火箭技术或辐射同样令人头疼——是如何与覆盖月球几乎整个表面、深度从 7 英尺到可能 100 英尺或更多的风化层共存。它包括从巨大岩石到直径仅几纳米的颗粒，但大部分是由无数高速微流星体形成的泥浆，这些微流星体在没有大气层阻碍的情况下撞击月球，持续了 30 多亿年。一把风化层由碎石、矿物、微小撞击产生的玻璃颗粒以及玻璃、矿物和石头熔合而成的附着物组成。
亿万年的熔化、冷却和聚集，将风化层中的玻璃颗粒变成了锯齿状、磨蚀性的粉末，它会粘附在任何接触到的东西上，并且堆积得如此致密，以至于在四英寸以下的任何深度都变得极难作业。
对于那些想要探索月球的人——无论是为了训练探索火星、开采资源还是安装高精度观测站——风化层都是一个潜在的致命隐患，一种无处不在、有害的机械和人体组织威胁。仅仅三天月球漫步后，风化层就威胁要让阿波罗宇航员太空服的关节停止运转，就像生锈让多萝西的铁皮人瘫痪一样。用于存放阿波罗月球岩石的特殊样品箱因边缘被灰尘污染而失去了真空密封。对于一个永久性的月球基地来说，这种机械故障可能意味着灾难。
风化层会破坏液压系统，冻结开关，并将滚珠轴承变成“葡萄干坚果”。当月尘被扰动时，小颗粒会漂浮起来，落下，并粘附在所有东西上。风化层不容易刷掉，吸入它会导致肺纤维化，相当于月球版的黑肺病。地球上没有类似的东西。“在这里，地质过程倾向于分类和分离，”美国宇航局马歇尔空间飞行中心的地理学家道格拉斯·里克曼说。“在月球上，陨石撞击将一切混合在一起。”
但太空规划者也看到了故事光明的一面。风化层按重量计算，有 42% 是氧气。提取氧气将有助于制造可呼吸的空气、火箭燃料，并与氢气混合后产生水。加热风化层，它将硬化成路面、砖块、陶瓷，甚至太阳能电池板以提供电力。用足够厚的风化层覆盖居住区，将使宇航员免受辐射。如果说风化层是月球探索的诅咒，它也可能被证明是一种祝福。
这些问题沉寂了三十年，直到2004年1月，布什总统宣布了他的“太空探索愿景”，并赋予NASA一项新任务：在2020年前将人类送回月球，并最终送往火星。去年12月在休斯顿举行的美国航空航天学会会议上，这项计划的更多细节浮出水面。科学家们现在正在思考如何将这一愿景变为现实。尽管关于维持月球探索的政治意愿存在争议（参见《发现》杂志2006年9月号“NASA的未来”），但技术障碍是无可争议的。下一个再次踏上月球的人将把人类带到前所未有的地方，因为那个人将定居下来——这将是非常困难的。
NASA目前的计划要求进行一系列“先驱”机器人月球任务，以测试技术和收集信息。这些任务将于明年开始，远在NASA的新猎户座飞船准备将四名宇航员送往月球之前。到那时，可能在2018年左右，规划者希望已经解决了几个关键的未知问题：月球两极是否存在冰沉积物，是否能制造出能够多次穿越布满尘埃的月球表面的宇航服，以及人体是否能在尘埃、长时间处于低重力环境和长时间暴露于宇宙辐射下生存。
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从月球看地球被阳光照亮的月牙。
最初的几次飞行将是阿波罗式的短期任务，短暂地访问以测试技术和设备，并开始建设前哨站。最终，基地将包括生活区、发射台、燃料和物资储存设施以及发电厂。到 2024 年，NASA 专家预计将拥有足够的基础设施，以支持四名宇航员每六个月轮换一次的永久性人类存在，这与在国际空间站上的停留时间相同。
在月球上建立一个永久前哨站，在许多方面都比在火星上建立前哨站更具挑战性。像地球一样，火星有大气层、天气和季节，其引力是地球的三分之一。月球的引力是地球的六分之一，没有大气层，并且受到无情的、永无休止的辐射和微陨石的轰击。一些科学家认为，如果最终目标是去火星，那么去月球就没有意义。
但是，如果目标是学习如何在太空中长期停留，那么去月球会提供极好的指导。空间站宇航员处于近地轨道，距离安全只有224英里。月球宇航员距离救援有三天路程，而火星宇航员至少要几个月才能到达——起飞后几乎是孤身一人。探险者不仅要学会在低重力下、在狭窄空间中长时间生活，就像在空间站精心校准的室内环境中一样，他们还必须在可能致命的、无法控制的环境中长时间在户外工作。他们必须制造氧气等消耗品，回收它们，并回收废物。他们必须能够维护他们的设备，知道不仅他们的科学任务，而且他们的生命都可能取决于他们的维修。他们还必须能够应对疾病，治疗骨折，进行紧急阑尾切除术，并且在最糟糕的情况下，看着战友因受伤或失血而死亡，知道如果在地球医院及时治疗，他或她本可以很容易地存活下来。
应对这些挑战需要调整心态并进行大量练习，而且越靠近家园处理失误越好。前宇航员、美国参议员哈里森·施密特，最后一位在月球上行走的人，去年在NASA主办的月球会议上告诉与会代表，人类需要“重建深空操作结构和纪律”。其他人则更直白地描述了这种情况。NASA，因挑战者号和哥伦比亚号航天飞机失事而变得胆怯，已经变得过于规避风险。
“有些事情我们必须决定，”田纳西大学地球化学家劳伦斯·泰勒说，他是一位领先的月球科学家。“会有危险，如果我们认为去月球很危险，那去火星呢？你不能就此放弃回家。”
磨蚀性风化层仅仅是月球恶劣环境的一个方面。赤道承诺在相对平坦的表面进行相对愉快的着陆，但它也保证了白天温度超过250华氏度，夜晚骤降至零下240华氏度以下——而且白天和夜晚都持续14个地球日。阿波罗宇航员在月球相当于清晨和上午的时间里完成了大部分工作——光线足够看清，但没有那么热。
气候是 NASA 去年 12 月宣布将在月球两极附近建立前哨站的主要原因。目前最受欢迎的地点是月球南极的沙克尔顿陨石坑边缘，预计该地温度“适中”，介于零下 50 华氏度到 50 华氏度之间。沙克尔顿还有一个重要优势，就是一年中多达 80% 的时间处于阳光下——尽管阳光微弱。充足的光线对于发电至关重要。如果基地建在月球赤道，它每个月将有一半时间处于黑暗中。在此期间，太阳能收集阵列将毫无用处。
月球两极的另一个重要吸引力是可能存在有用的自然资源。20世纪90年代的月球轨道探测器探测到氢的浓度，这是一种潜在的火箭燃料资源。目前没有人知道有多少，也不知道它以何种形式存在。一些科学家怀疑，很久以前一颗彗星可能曾擦撞月球，将水冰埋藏在永久阴影的陨石坑中。确定氢的来源是人类下一次登陆前机器人任务的一个关键目标。极地着陆的缺点是那里的地貌比月球中线地区更加崎岖和荒凉，这使得着陆更具挑战性。尽管如此，美国宇航局官员认为南极的优势大于风险。
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无论基地设在哪里，执行长期月球任务的宇航员都必须应对低重力和辐射。尽管低重力对肌肉和骨骼的削弱作用在最初的短暂月球任务中不会成为问题，但保护宇航员免受有害辐射暴露将是一个亟待解决的问题。
一种想法是用充满吸辐射水的包层包裹月球栖息地。另一种是设置一个人造磁场来偏转最强的射线。然而，最简单的解决方案可能是利用月壤：简单地将栖息地模块放置在一个陨石坑中，并用厚厚的月尘层将其掩埋。
需要多少风化层？没有人知道。辐射可能在月球土壤表面下方引起连锁反应，产生次级反应裂变产物，这些产物对人体组织的危害甚至超过未屏蔽的轰击。泰勒怀疑至少需要 10 英尺或更多的土壤才能隔离宇航员。
所以宇航员必须挖风化层，但这并不像听起来那么容易。首先，将重型设备送入太空就面临挑战。“我们无法承担将一辆重达20万磅的推土机送上月球的费用，”中田纳西州立大学土木工程师沃尔特·韦斯利·博尔斯说，他是一位研究月球建设的资深学者。“即使我们能做到，它的性能也会非常差。”工程师们必须考虑小型化。博尔斯说，月球风化层搬运器将“大约有骑乘式割草机那么大”。美国宇航局将于今年五月举办一场风化层挖掘比赛，向在30分钟内挖掘出最多风化层的机器人团队提供25万美元奖金——但挖掘机必须重于90磅。
此外还有更基本的物理问题。地球上的重型机械依靠摩擦力和重力提供稳定的支撑，而机器的工作端则进行切割、推动、拉动、挖掘、刮擦或敲打。在月球上，惯性是相同的——推动物体，它会以与在地球上相同的向量移动——但重力不同。用力过猛，机器就会跳起来。扭动过猛，机器就会翻倒。
一种解决方案是在推土机后面安装一个料斗，并在正式挖掘前用风化层填充它以作配重。另一种方法是给推土机安装螺旋钻，使其能够自行钻入月球表面。博尔斯建议完全去除铲斗，安装一个刷子或建筑清扫器，这样可以减少力道，一次刮下一薄层风化层。
当宇航员在月球上挖掘时，他们会身处尘埃云中，特别是如果他们使用清扫器。人造月尘暴对工具和设备的影响，自阿波罗12号发动机的尾流喷砂了附近废弃的勘测者3号飞船后就已经为人所知。“他们发现月尘无孔不入，”肯尼迪航天中心的威廉·拉尔森说，他是美国宇航局开发利用月球资源技术的首席科学家和项目经理。所有关于月球前哨站的艺术渲染图都描绘了月尘堆，这些月尘堆将遮挡重要设备和居住舱，使其免受发射台上火箭引起的尘埃云的影响。
月尘也是 NASA 下一代宇航服的一个重大未解决问题。在阿波罗任务中，三天简短的月球漫步几乎是极限，之后拉链就会卡住，关节会僵硬，连接器开始堵塞。新的宇航员探险家必须有一个能让他们在那里工作的解决方案。约翰逊航天中心宇航服工程师艾米·罗斯说：“我们必须维护（关节中的）滚珠轴承并更换密封件。我们不能零容忍，但我们也不希望占用宇航员所有空闲时间进行维护。”
太空工程师仍在争论是让宇航员穿工作服进行脏活，还是建造一个“尘埃门廊”，让宇航员在进入生活区前进行清洁。他们还在努力制造一种既不易切割或磨损，又在地球上重量不超过200磅（月球上33磅）的宇航服。“这相当具有挑战性，”罗斯承认。
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尽管风化层存在诸多危害，但它可能提供了解决方案，不仅可以阻挡辐射，还可以为月球上一个自给自足的前哨站提供建筑材料。关键在于月壤中的玻璃和金属铁颗粒。在20世纪90年代，田纳西大学的劳伦斯·泰勒展示了更精细的风化层样本含有足够的这种材料，使其具有实用价值。“有一天晚上我下楼，把一些风化层放进微波炉里，”他回忆道。“我没有理由这样做。这在几年前就尝试过，但从未成功。这次它竟然‘嗖’的一下！”
泰勒发现他可以在 10 到 20 秒内融化一堆月壤。然后他将一个磁控管聚焦在另一个样本上：“用 50 瓦的能量，我能在 10 秒内将一块一厘米的月壤加热到 1700 摄氏度（3100 华氏度），”他说。
这一结果具有巨大的意义。通过微波加热月壤，宇航员可以将颗粒焊接或烧结在一起，形成可用的地基。如果他们提高温度，顶层会熔化并变成坚硬的玻璃。探险者不仅会拥有一条即时公路，还会减轻最严重的尘埃云。月壤在月球上不会自行飘散。人类的脚步或轮胎的胎面必须将其搅动起来，如果他们在路面上行驶，尘埃就会停止。
泰勒设想了一种类似于冰球比赛中平整冰面的扎姆博尼机的月球微波机器。“我可以用第一组磁控管将土壤烧结到一英尺深，然后用第二组将最上面两英寸熔化成玻璃，”他说。
也许更重要的是，洛克希德·马丁公司的拉里·克拉克正在建造一个旨在从风化层中提取氧气的工厂。它的重要性对任何空间工程师来说都是显而易见的。液氧占航天器燃料质量的75%到80%。如果不需要从地球带来备用氧气，运载火箭可以轻得多，飞行成本也更低，或者可以携带更多的有效载荷。“美国宇航局希望我们每年生产8公吨（9吨）氧气，”克拉克说。“那相当于白天每天44公斤（97磅）。我们每年可以为两艘上升飞行器补充燃料。”
克拉克15年前就曾思考过太空工厂，并用微薄的研究经费维持着他的想法多年。现在情况不同了。他说，他在丹佛以南洛克希德实验室里做的事情“不是实验”。“我们正在将其提升到一个新的水平。”
在从月壤中制氧的多种方法中，克拉克选择了氢还原法。它在相对较低的温度下运行，即 1300 至 1500 华氏度。缺点是它几乎只从氧化铁中获取氧气，而氧化铁仅占风化层约 10%。其他更热的工艺会产生更高的产量。尽管如此，克拉克计算出，挖掘深度仅为两英寸的 100 平方码风化层将产生 660 磅氧气，足以维持一个四人探险队 75 天。
克拉克的实验室，拥有闪闪发光的瓷砖地板和柔和的阳光，看起来不像月球，但他的机器是真家伙。机器人挖掘机大约有一个电动割草机那么大，它有带铲斗的钢鼓——就像带着杯子的蒸汽压路机。当技术人员按下启动按钮时，机器人滑过地板，来到大约20英尺外的沙箱。鼓会下降并开始旋转。铲斗舀起沙子，将其送入机器人平台后部的料斗。当料斗装满时，机器人会蹒跚地走到一个“月球着陆器”旁边，将沙子倒进一个塑料容器中。如果不管它，机器人会整天挖掘和倾倒。
在成品中，当挖掘机填满航天器旁边的储水池后，一台升降机将把土壤提升到反应器中，该反应器只有20英寸长，形状像水泥搅拌机。在那里，风化层将在压力下被加热和旋转，同时氢气渗透其中。在1300度以上，氧化铁将开始分解，氧气将与氢气结合，闪蒸出水蒸气。
如果宇航员需要水，这个过程就会停止。否则，水蒸气将进入第二个电解室。氧气将被虹吸到月球栖息地或燃料储存罐中，而氢气将返回反应器中重复使用。
克拉克希望在几年内，通过无人月球先驱任务来测试他的系统。他已经让他的工厂的每个部件都投入使用，并且正在将这些部件整合为一个无缝的整体——一个真正的氧气工厂，它可以在很大程度上解放未来月球探险者对地球补给船的依赖。“每年任务规划者都会过来，说‘这真不错，但是（整个过程）以前从未完成过，’”克拉克说。“下次我想能够说，‘嗯，它就在这里。’”
阿波罗15号指挥官戴夫·斯科特拍摄月球表面（上图）。一张由阿波罗15号照片拼接而成的月球全景图显示了月球车在尘土飞扬的表面留下的痕迹（下图）。
