在不久的将来，美国宇航员将再次踏上月球银色的荒凉之地。与阿波罗时代的先辈们在月球朝向地球半球的低纬度冰冻熔岩海周围短暂旅行不同，美国宇航局“阿耳忒弥斯III”任务的登月者将以月球南极——一个拥有古老水矿藏的区域，甚至可能是未来永久宇航员前哨站的所在地为目标。这次任务将有四名宇航员，其中两名将留在月球轨道上，而另外两人将降落在南极地区，并在表面短暂移动。当他们这样做时，他们将部署一套科学仪器，以法医式地检查届时将成为太阳系中最重要的外星不动产。
在考虑了众多提案后，美国宇航局现在宣布了三个被选中与“阿耳忒弥斯III”任务组成员一同前往的装置：“月球环境监测站”（LEMS）组件是一种非常精确的地震仪，旨在监听月震并勘测月球地质深层。 “月球农业植物效应”（LEAF）仪器将尝试在月球上种植三种作物，并研究它们如何对变化无常的极端环境做出反应。 “月球介电分析仪”（LDA）将利用电流在月球土壤中的流动来探测挥发物的存在，最值得注意的是水冰。
这三种仪器并不能保证到达月球南极。还需要额外的开发工作，以确保每种仪器都能实现其科学目标，并四重检查所有仪器都与“阿耳忒弥斯III”的发射架构和精心设计的地面考察兼容。但是，美国宇航局希望通过这次初步选择的小玩意发出的信号已经响亮而清晰：在阿波罗计划的辉煌和消退半个多世纪后，美国正在重返月球，进行长期探索。
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“我们希望阿耳忒弥斯计划是可持续的，” 阿耳忒弥斯III的项目科学家Noah Petro说。
建立一个真正的月球基地需要确定几件事：月震对结构的风险、在月球上种植植物的可能性以及在那里找到可用水的可能性。这三种仪器将寻求解答这些实际问题，同时在月球鲜有人探索的背面进行基础科学研究。“我们有一个很棒的科学故事要讲，” Petro说。如果这三者都运行良好，“我们将开创一个其他任务必须达到的先例。”
震动与颤动
精密的科学仪器对于月球表面来说并不陌生，月球表面现在承载着由多个航天机构和太空飞行公司在过去几年中以越来越快的频率发送到那里的各种各样的实验。但是，不稳定的着陆和彻底的坠毁为这些项目带来了好坏参半的结果，这些项目都依赖于自动机器人部署。
使用宇航员拆包和安装实验设备要昂贵得多，但也具有远优于机器人的成功记录。“有人在那里的额外优势是，你可以获得更大的灵活性，”约翰·霍普金斯大学的地震学家Ben Fernando说。“人们可以调试问题。” 当然，你可以确保实验尽可能接近其最佳位置和配置——这对LEMS至关重要，LEMS是迄今为止开发的最精确、最灵敏的地震仪之一。
LEMS实际上是一对地震仪，每个地震仪都将用于探测两种不同类型的地震震动。一个将插入钻孔中，另一个将放入挖掘的沟渠中。由于宇航员将放置它们，因此几乎可以保证两者都与地面完美耦合，并免受过多的环境表面噪声影响。
挖洞是需要宇航员部署这些地震仪的关键原因，这听起来可能很荒谬。然而，机器人在月球和火星上钻探出乎意料地坚硬的土壤时遇到了众所周知的困难。尽管宇航员也发现这具有挑战性——阿波罗登月者在部署过程中遇到了一些困难——但他们可以实时排除故障，这是机器人（目前）无法做到的。“是的，将宇航员送上月球需要花费巨额资金。但是，如果他们无论如何都在那里，那么让他们挖一条沟渠有多难呢？”圣路易斯华盛顿大学的行星科学家、LEMS团队成员Paul Byrne说。
LEMS白天依靠太阳能供电，晚上依靠电池供电，将逐渐构建起对研究不足的南极地区详细的地震图像。该实验将每月一次将其来之不易的读数传回地球，以添加到阿波罗时代位于月球近侧站点的地震仪的现有数据中。“如果按计划使用，这个东西将在月球表面持续两年，”Byrne说。这应该有足够的时间来填补关于南极月震频率和月球次表面整体结构的信息空白——这些数据点不仅对科学至关重要，而且对安全也很重要。
“如果你想在月球南极建立永久定居点，你最好长期了解那里的地震状态，”马里兰大学巴尔的摩县分校的行星科学家、LEMS团队负责人Mehdi Benna说。
“我很高兴他们选择了这个，”华盛顿特区国家航空航天博物馆的行星科学家Thomas Watters说。阿波罗时代的地震仪不仅揭示了月球有零星的震动，而且一些最强烈的震动发生在月球南极附近。尽管地球上的地震可能强大得多，“但这些震动在月球上可以持续数小时，而不仅仅是几分钟，”Watters说。“你必须为此做好准备。”
地震并不是LEMS将探测到的唯一事物。汽车大小的太空岩石在地球大气层中无害地燃烧殆尽，而它们却畅通无阻地撞击月球表面，使其成为一种危害。在月球上，“撞击可能发生在任何地方，”Fernando说——LEMS将能够评估月球南极周围的撞击率。
月球上的农场
月球南极对人类探索的吸引力来自于它几乎持续不断地获得太阳能，以及被认为大量潜伏在阴影笼罩的陨石坑和浅层地下的水冰。融化和净化后，这些冰可以用作饮用水；分解成氢气和氧气，它可以提供火箭燃料和可呼吸的空气。然而，首先，科学家需要确定那里实际存在多少可用的H2O——LDA仪器将通过评估电场在月球土壤中传播时如何微妙地振荡来解决这个问题。
选择理想的部署地点——例如，一个既经历白天又经历黑夜的地点——对于LDA的研究可能至关重要。东京大学的行星科学家、LDA团队负责人Hideaki Miyamoto说，所需的机动性和精确性对于机器人任务来说“非常非常困难，但对于训练有素的宇航员来说可能非常容易”。然而，机器人仍将协助这项工作：LDA的选址将得到美国宇航局挥发物极地探测车（VIPER）的间接支持，该探测车将在今年晚些时候发射后在南极地区探测水分子。
但是，在任何月球水用于灌溉饥饿的宇航员的作物之前，美国宇航局的任务规划人员希望首先确保可食用植物甚至可以在月球上生长。这就是LEAF的任务。该仪器本质上是一个太空时代的玻璃容器，具有一个封闭的生长室，用于培育三种作物——Wolffia（俗称浮萍）、Brassica rapa（与芜菁和小白菜植物有关）和Arabidopsis thaliana（鼠耳芥）——并保护它们免受恶劣的月球环境的影响。
所有这三种经过充分研究的模式植物以前都曾在太空飞行过。然而，通过在月球上扎根，它们将进入鲜有人涉足的农业领域。一旦LEAF部署完毕，它的种子将在温和的大气中，像地球上的室内农场一样，受到水、养分和光照的呵护，”LEAF团队负责人、生态学家兼科罗拉多州博尔德市Space Lab Technologies副总裁Christine Escobar说。摄像头和各种传感器将监测它们的生长。一些快速发芽的植物将被收割，供“阿耳忒弥斯III”团队进一步研究，而另一些植物将继续生长，直到漫长而寒冷的月夜降临。
LEAF是与在月球南极建立长期存在联系最明确的仪器。“太空农业提供的人类营养和生命支持——二氧化碳去除、氧气产生和水净化——将使人类能够长期探索月球及更远的地方，”Escobar说。
即使LEAF的宁静玻璃容器在异世界植物学方面取得了巨大飞跃，但这仅仅是朝着真正的月球农业迈出的一小步，月球农业面临着无数挑战，例如较低的重力、较高的辐射水平和缺乏高质量的土壤。“月球风化层很可能用于已建立的月球基地中的植物生长设施，”佛罗里达大学的园艺科学家Anna-Lisa Paul说。她最近尝试在阿波罗任务获得的月球土壤中种植鼠耳芥。尽管实验成功了，但植物不喜欢它；它们发育缓慢，并表现出压力迹象。然而，你必须从某个地方开始，LEAF将告诉植物学家的信息将是无价的。“根据已发现的情况，下一步可能是通过对植物进行工程改造，使其更好地适应生理，或者[通过]选择更自然地适合应对特定压力反应的作物品种来帮助植物解决特定困难，”Paul说。
总之，美国宇航局选择这些仪器进一步加强了该机构认真追求其将人类送回月球的意图——这一次，是为了停留，甚至可能是为了永久居住。Fernando说，在LEMS、LDA和LEAF完成工作后，将更难反驳月球是“理论上可以让人类长期居住的地方”的说法。
阿耳忒弥斯计划可能受到各种争议、技术挑战和预算超支的影响——但像这样的公告使期待已久的重返月球以及美国宇航局留在月球的雄心壮志显得更加切实可行。“我们将看到人类登上月球。这将开始改变我们看待整个事业的方式，”Byrne说。“这不会是插上旗帜就回家。”