歐空局支持“地外制造”項目：使用建筑3D打印技術(shù)建造新家園

來源：cnBeta.COM

美國宇航局（NASA）已經(jīng)公布重返月球并建造月球永久基地的計劃。對于長期的太空任務(wù)，宇航員需要基礎(chǔ)設(shè)施來生活和工作，并生產(chǎn)對生存至關(guān)重要的氧氣和水。從地球上帶走所有這些基礎(chǔ)設(shè)施，可能是非常昂貴的。相反，研究人員可能需要弄清楚如何在現(xiàn)場制造。歐空局的 “探索& 準(zhǔn)備”（Discovery & Preparation ）項目支持多項研究，以探索如何能夠做到這一點。

使用其他天體上已有的材料來建造基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)便利設(shè)施被稱為原地資源利用（ISRU）。過去在這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)探索和證明了基本的ISRU概念，使用在探索地點發(fā)現(xiàn)的資源和從地球帶來的材料的組合。

需要ISRU來建立一個棲息地，使宇航員免受惡劣環(huán)境的影響，包括稀薄或不存在的大氣層、極端溫度、強烈輻射，甚至微流星體。它將使人類能夠建造在地表活動的道路，以及往返地球的發(fā)射和著陸平臺。它可以被用來生產(chǎn)能夠產(chǎn)生和儲存能量的設(shè)備，用于生產(chǎn)電力，以及用于通信的天線塔。而且，它可以生產(chǎn)大量的水和氧氣，用于維持宇航員的生命，并制造推進劑，用于四處旅行并最終返回地球。

探索&準(zhǔn)備活動

1999年，首批與ISRU相關(guān)的  “探索& 準(zhǔn)備”研究之一側(cè)重于推進和動力系統(tǒng)，評估了本世紀對先進推進力的需求。該研究的結(jié)論是，ISRU可以降低火星任務(wù)的成本，同時提高人類的能力，但ISRU技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)立即開始。

于是，在與歐空局所有項目的協(xié)調(diào)下，研究繼續(xù)進行。2000年完成的一項研究側(cè)重于未來空間探索所需的動力系統(tǒng)，包括設(shè)計一個ISRU化學(xué)工廠，以生產(chǎn)推進劑、生命支持的化學(xué)品和表面活動的燃料。

同時進行的其他研究對長期空間探索進行了更廣泛的考察，其中一項研究考慮了火星探索需要哪些架構(gòu)和技術(shù)。該研究調(diào)查了從火星大氣和土壤中生產(chǎn)推進劑和乘員生存所需液體的可能性--包括氮氣、氧氣、氫氣和水。另一項關(guān)于人類對長期行星際和行星環(huán)境的生存能力和適應(yīng)性的研究也發(fā)現(xiàn)，ISRU對于生產(chǎn)推進劑和生命支持消耗品可能特別有用。

快進13年，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到足以探索更具體的ISRU概念，包括一個從火星大氣中收集和儲存二氧化碳并將其輸送到推進系統(tǒng)的系統(tǒng)。由空中客車公司進行的這項研究提出了從二氧化碳中去除灰塵和水的方法，以及如何將其液化以便儲存。

在過去的幾年里，“探索& 準(zhǔn)備”項目支持更多關(guān)于利用月球土壤建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的研究，以及更具體的能源生成和儲存方法；最近的一項研究探討了如何利用月壤來儲存熱量，并為宇航員、漫游車和登陸車提供電力。

一項研究探討了月球模擬設(shè)施如何支持ISRU技術(shù)的發(fā)展，包括測試當(dāng)?shù)夭牧系耐诰蚝图庸�，以及如何利�?D打印等工藝將這些材料用于建造結(jié)構(gòu)。

另一個確認了月壤作為建筑材料的適用性，選擇了一個合適的工藝來打印結(jié)構(gòu)，甚至還設(shè)計了一個可打印的居住環(huán)境。而第三項研究最近更進一步，探討了如何利用月球泥土3D打印任何必要的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和備件，甚至選擇了哪種特定的打印工藝效果最好。

作為現(xiàn)有3D打印技術(shù)的替代方案，2019年的一項研究著眼于將月壤轉(zhuǎn)化為纖維，以構(gòu)建堅固的結(jié)構(gòu)。研究人員制作了一個材料樣本，以表明有可能使用這種工藝來制造局部不透水的結(jié)構(gòu)。

一組“探索& 準(zhǔn)備”研究最近探討并確定了歐空局的月球IRSU示范任務(wù)，該任務(wù)旨在到2025年證明在月球上生產(chǎn)水或氧氣是可能的。這些研究探討了實際生產(chǎn)水和氧氣的系統(tǒng)，提出了一個使用"碳熱反應(yīng)器"從土壤中提取氧氣并利用它來生產(chǎn)水的方案。另一項研究探討了該系統(tǒng)如何依靠著陸器作為電源，第三項研究了它如何與地球進行通信。

歐空局還在做什么？

為了實施月球ISRU示范任務(wù)，歐空局打算從商業(yè)部門采購任務(wù)執(zhí)行服務(wù)，包括有效載荷交付、通信和運營服務(wù)。在這樣做的過程中，歐空局將利用并進一步采用現(xiàn)有的商業(yè)舉措，這些舉措可能會在未來的月球探索方案中找到廣泛的應(yīng)用。

歐空局目前還在進行PROSPECT任務(wù)，該任務(wù)將訪問和評估月球上的潛在資源，為未來可能用于提取這些資源的技術(shù)做準(zhǔn)備。PROSPECT將在月球南極附近的地表下進行鉆探，并提取預(yù)計含有水冰和其他可能在極低溫度下被困的化學(xué)物質(zhì)的樣本。然后，鉆頭將把樣品送到一個化學(xué)實驗室，在那里對它們進行加熱以提取這些化學(xué)物質(zhì)。這項任務(wù)將作為俄羅斯領(lǐng)導(dǎo)的Luna-27任務(wù)的一部分，并將測試未來可能應(yīng)用于資源提取的過程。

為了支持到2040年人類在月球上的存在由當(dāng)?shù)刭Y源維持的雄心，2019年5月，歐空局發(fā)布了空間資源戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略考慮了我們需要發(fā)現(xiàn)和開發(fā)什么來支持可持續(xù)的太空探索。該戰(zhàn)略涵蓋到2030年，屆時將通過在月球上的測量確定月球資源的潛力，關(guān)鍵技術(shù)將被開發(fā)和展示，并確定將其引入國際任務(wù)架構(gòu)的計劃。在該戰(zhàn)略公布后，歐空局主辦了一個研討會，以確定使空間資源利用成為現(xiàn)實所需的下一步措施。

2020年，歐空局建立了一個原型工廠，用模擬的月塵生產(chǎn)氧氣。從月壤中去除氧氣會留下各種金屬；因此，另一個研究方向是看看哪些是可以從它們中生產(chǎn)的最有用的合金，以及它們?nèi)绾卧谠虑蛏鲜褂�。最終的目標(biāo)是設(shè)計一個可以在月球上可持續(xù)運行的“試驗工廠”，并在2020年代中期進行首次技術(shù)示范。

其他空間機構(gòu)在這一領(lǐng)域正在做什么？

美國宇航局的月球勘測軌道飛行器(LRO) 已經(jīng)表明，在月壤下的某些位置存在著水冰。該軌道器發(fā)射的月球CRater觀測和傳感衛(wèi)星從軌道器上釋放出來并撞擊了月球；對由此產(chǎn)生的16公里高的羽流的觀察顯示了月球表面的化學(xué)構(gòu)成。

美國一些機構(gòu)還在開發(fā)幾個將訪問月球的立方體衛(wèi)星軌道任務(wù)。 Lunar Flashlight、LunaH-MAP和Lunar IceCube將旨在找出有多少水冰，以及到底在哪里可以找到它。

美國宇航局的第一個火星登陸器，維京號，返回了關(guān)于火星大氣的重要數(shù)據(jù)，揭示了它是由95.9%的二氧化碳組成的�；�于這一發(fā)現(xiàn)和隨后的機器人任務(wù)返回的信息，美國宇航局已經(jīng)開發(fā)了將火星大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的技術(shù)，以利于人類在紅色星球上的任務(wù)。最近，美國宇航局選擇了火星氧氣原位資源利用實驗，或MOXIE，作為火星毅力號探測器上的七個儀器之一。

揮發(fā)性物質(zhì)是容易汽化的物質(zhì)，可能是月球上的水源。美國宇航局與其他空間機構(gòu)一起，正在進行月球極地揮發(fā)物探索的國際協(xié)調(diào)，以增加科學(xué)知識，確定揮發(fā)物作為潛在資源的可行性，并將月球作為火星ISRU技術(shù)的試驗場。

預(yù)計中國國家航天局未來的任務(wù)也將以月球極地揮發(fā)物作為潛在資源。中國對國際月球科研站的設(shè)想，最初將在2020年代末和2030年代初作為科學(xué)和研究的機器人設(shè)施建立，可能為月球資源的利用提供一個早期機會。

俄羅斯航天局（Roscosmos）正在與歐空局合作進行一系列的三個月球任務(wù)，包括 Luna-27，它將承載歐空局的PROSPECT包。該任務(wù)將以月球極地地區(qū)的測量為目標(biāo)，重點關(guān)注可能在那里發(fā)現(xiàn)的冷困揮發(fā)物。

歐空局的下一步是什么？

通過其開放空間創(chuàng)新平臺（OSIP），歐空局尋求關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施和硬件的原地建設(shè)、制造和維護的有利技術(shù)的想法，以支持對行星體的長期探索。

建議的想法支持棲息地、移動基礎(chǔ)設(shè)施（如道路和著陸場）、輔助基礎(chǔ)設(shè)施（如用于通信和能源生產(chǎn)和儲存）以及硬件（如工具、內(nèi)部設(shè)備、機械等）的建設(shè)。

這些想法包括許多新穎的方法，用于熔化和3D打印月球土壤，用月球土壤制造太陽能電池，優(yōu)化能源儲存，尋找不需要土壤就能用有機廢物種植植物的方法，利用月球土壤建造作物友好型溫室，以及利用空間碎片建造基礎(chǔ)設(shè)施。許多想法現(xiàn)在正由歐空局作為研究、共同資助的研究項目或早期技術(shù)發(fā)展項目來實施。要了解更多信息，請訪問本次創(chuàng)意征集的結(jié)果部分。

由于研究人員對月球和小行星的知識和理解的進步，國際研究機構(gòu)和私企對空間技術(shù)參與的增加，以及新技術(shù)的出現(xiàn)，利用空間資源進行探索現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。