在不久的將來，美國宇航員將再次踏上月球銀色的荒涼之地。與阿波羅時代的先輩們在月球朝向地球半球的低緯度冰凍熔岩海周圍短暫旅行不同，美國宇航局“阿耳忒彌斯III”任務的登月者將以月球南極——一個擁有古老水礦藏的區域，甚至可能是未來永久宇航員前哨站的所在地為目標。這次任務將有四名宇航員，其中兩名將留在月球軌道上，而另外兩人將降落在南極地區，並在表面短暫移動。當他們這樣做時，他們將部署一套科學儀器，以法醫式地檢查屆時將成為太陽系中最重要的外星不動產。
在考慮了眾多提案後，美國宇航局現在宣佈了三個被選中與“阿耳忒彌斯III”任務組成員一同前往的裝置：“月球環境監測站”（LEMS）元件是一種非常精確的地震儀，旨在監聽月震並勘測月球地質深層。 “月球農業植物效應”（LEAF）儀器將嘗試在月球上種植三種作物，並研究它們如何對變化無常的極端環境做出反應。 “月球介電分析儀”（LDA）將利用電流在月球土壤中的流動來探測揮發物的存在，最值得注意的是水冰。
這三種儀器並不能保證到達月球南極。還需要額外的開發工作，以確保每種儀器都能實現其科學目標，並四重檢查所有儀器都與“阿耳忒彌斯III”的發射架構和精心設計的地面考察相容。但是，美國宇航局希望透過這次初步選擇的小玩意發出的訊號已經響亮而清晰：在阿波羅計劃的輝煌和消退半個多世紀後，美國正在重返月球，進行長期探索。
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“我們希望阿耳忒彌斯計劃是可持續的，” 阿耳忒彌斯III的專案科學家Noah Petro說。
建立一個真正的月球基地需要確定幾件事：月震對結構的風險、在月球上種植植物的可能性以及在那裡找到可用水的可能性。這三種儀器將尋求解答這些實際問題，同時在月球鮮有人探索的背面進行基礎科學研究。“我們有一個很棒的科學故事要講，” Petro說。如果這三者都執行良好，“我們將開創一個其他任務必須達到的先例。”
震動與顫動
精密的科學儀器對於月球表面來說並不陌生，月球表面現在承載著由多個航天機構和太空飛行公司在過去幾年中以越來越快的頻率傳送到那裡的各種各樣的實驗。但是，不穩定的著陸和徹底的墜毀為這些專案帶來了好壞參半的結果，這些專案都依賴於自動機器人部署。
使用宇航員拆包和安裝實驗裝置要昂貴得多，但也具有遠優於機器人的成功記錄。“有人在那裡的額外優勢是，你可以獲得更大的靈活性，”約翰·霍普金斯大學的地震學家Ben Fernando說。“人們可以除錯問題。” 當然，你可以確保實驗儘可能接近其最佳位置和配置——這對LEMS至關重要，LEMS是迄今為止開發的最精確、最靈敏的地震儀之一。
LEMS實際上是一對地震儀，每個地震儀都將用於探測兩種不同型別的地震震動。一個將插入鑽孔中，另一個將放入挖掘的溝渠中。由於宇航員將放置它們，因此幾乎可以保證兩者都與地面完美耦合，並免受過多的環境表面噪聲影響。
挖洞是需要宇航員部署這些地震儀的關鍵原因，這聽起來可能很荒謬。然而，機器人在月球和火星上鑽探出乎意料地堅硬的土壤時遇到了眾所周知的困難。儘管宇航員也發現這具有挑戰性——阿波羅登月者在部署過程中遇到了一些困難——但他們可以即時排除故障，這是機器人（目前）無法做到的。“是的，將宇航員送上月球需要花費鉅額資金。但是，如果他們無論如何都在那裡，那麼讓他們挖一條溝渠有多難呢？”聖路易斯華盛頓大學的行星科學家、LEMS團隊成員Paul Byrne說。
LEMS白天依靠太陽能供電，晚上依靠電池供電，將逐漸構建起對研究不足的南極地區詳細的地震影像。該實驗將每月一次將其來之不易的讀數傳回地球，以新增到阿波羅時代位於月球近側站點的地震儀的現有資料中。“如果按計劃使用，這個東西將在月球表面持續兩年，”Byrne說。這應該有足夠的時間來填補關於南極月震頻率和月球次表面整體結構的資訊空白——這些資料點不僅對科學至關重要，而且對安全也很重要。
“如果你想在月球南極建立永久定居點，你最好長期瞭解那裡的地震狀態，”馬里蘭大學巴爾的摩縣分校的行星科學家、LEMS團隊負責人Mehdi Benna說。
“我很高興他們選擇了這個，”華盛頓特區國家航空航天博物館的行星科學家Thomas Watters說。阿波羅時代的地震儀不僅揭示了月球有零星的震動，而且一些最強烈的震動發生在月球南極附近。儘管地球上的地震可能強大得多，“但這些震動在月球上可以持續數小時，而不僅僅是幾分鐘，”Watters說。“你必須為此做好準備。”
地震並不是LEMS將探測到的唯一事物。汽車大小的太空岩石在地球大氣層中無害地燃燒殆盡，而它們卻暢通無阻地撞擊月球表面，使其成為一種危害。在月球上，“撞擊可能發生在任何地方，”Fernando說——LEMS將能夠評估月球南極周圍的撞擊率。
月球上的農場
月球南極對人類探索的吸引力來自於它幾乎持續不斷地獲得太陽能，以及被認為大量潛伏在陰影籠罩的隕石坑和淺層地下的水冰。融化和淨化後，這些冰可以用作飲用水；分解成氫氣和氧氣，它可以提供火箭燃料和可呼吸的空氣。然而，首先，科學家需要確定那裡實際存在多少可用的H2O——LDA儀器將透過評估電場在月球土壤中傳播時如何微妙地振盪來解決這個問題。
選擇理想的部署地點——例如，一個既經歷白天又經歷黑夜的地點——對於LDA的研究可能至關重要。東京大學的行星科學家、LDA團隊負責人Hideaki Miyamoto說，所需的機動性和精確性對於機器人任務來說“非常非常困難，但對於訓練有素的宇航員來說可能非常容易”。然而，機器人仍將協助這項工作：LDA的選址將得到美國宇航局揮發物極地探測車（VIPER）的間接支援，該探測車將在今年晚些時候發射後在南極地區探測水分子。
但是，在任何月球水用於灌溉飢餓的宇航員的作物之前，美國宇航局的任務規劃人員希望首先確保可食用植物甚至可以在月球上生長。這就是LEAF的任務。該儀器本質上是一個太空時代的玻璃容器，具有一個封閉的生長室，用於培育三種作物——Wolffia（俗稱浮萍）、Brassica rapa（與蕪菁和小白菜植物有關）和Arabidopsis thaliana（鼠耳芥）——並保護它們免受惡劣的月球環境的影響。
所有這三種經過充分研究的模式植物以前都曾在太空飛行過。然而，透過在月球上紮根，它們將進入鮮有人涉足的農業領域。一旦LEAF部署完畢，它的種子將在溫和的大氣中，像地球上的室內農場一樣，受到水、養分和光照的呵護，”LEAF團隊負責人、生態學家兼科羅拉多州博爾德市Space Lab Technologies副總裁Christine Escobar說。攝像頭和各種感測器將監測它們的生長。一些快速發芽的植物將被收割，供“阿耳忒彌斯III”團隊進一步研究，而另一些植物將繼續生長，直到漫長而寒冷的月夜降臨。
LEAF是與在月球南極建立長期存在聯絡最明確的儀器。“太空農業提供的人類營養和生命支援——二氧化碳去除、氧氣產生和水淨化——將使人類能夠長期探索月球及更遠的地方，”Escobar說。
即使LEAF的寧靜玻璃容器在異世界植物學方面取得了巨大飛躍，但這僅僅是朝著真正的月球農業邁出的一小步，月球農業面臨著無數挑戰，例如較低的重力、較高的輻射水平和缺乏高質量的土壤。“月球風化層很可能用於已建立的月球基地中的植物生長設施，”佛羅里達大學的園藝科學家Anna-Lisa Paul說。她最近嘗試在阿波羅任務獲得的月球土壤中種植鼠耳芥。儘管實驗成功了，但植物不喜歡它；它們發育緩慢，並表現出壓力跡象。然而，你必須從某個地方開始，LEAF將告訴植物學家的資訊將是無價的。“根據已發現的情況，下一步可能是透過對植物進行工程改造，使其更好地適應生理，或者[透過]選擇更自然地適合應對特定壓力反應的作物品種來幫助植物解決特定困難，”Paul說。
總之，美國宇航局選擇這些儀器進一步加強了該機構認真追求其將人類送回月球的意圖——這一次，是為了停留，甚至可能是為了永久居住。Fernando說，在LEMS、LDA和LEAF完成工作後，將更難反駁月球是“理論上可以讓人類長期居住的地方”的說法。
阿耳忒彌斯計劃可能受到各種爭議、技術挑戰和預算超支的影響——但像這樣的公告使期待已久的重返月球以及美國宇航局留在月球的雄心壯志顯得更加切實可行。“我們將看到人類登上月球。這將開始改變我們看待整個事業的方式，”Byrne說。“這不會是插上旗幟就回家。”