美國(guó)宇航局“BIG Idea Challenge”比賽開(kāi)啟：有望實(shí)現(xiàn)月壤材料原位制造

導(dǎo)讀：隨著美國(guó)宇航局的第一個(gè)Artemis登月任務(wù)將在短短幾天內(nèi)發(fā)射，航天局正準(zhǔn)備在2024 年12月之前將團(tuán)隊(duì)派往月球南極的任務(wù)。完成這次登月任務(wù)并不是一項(xiàng)易事，需要新技術(shù)來(lái)幫助工作人員度過(guò)難關(guān)。惡劣的月球環(huán)境，大氣層稀少，沒(méi)有防輻射保護(hù)措施，磨砂塵，極端溫度都是需要解決的問(wèn)題。因此，在解決這些任務(wù)時(shí)要考慮的最關(guān)鍵方面之一是就地資源利用(ISRU) 的可用性，人類(lèi)可以利用當(dāng)?shù)刭Y源生存。



美國(guó)宇航局的 BIG Idea Challenge

2022年8月，南極熊獲悉為了推進(jìn)適合月球微重力條件的制造工藝，美國(guó)宇航局正舉辦一年一度的Game-Changing (BIG) Idea Challenge的項(xiàng)目，此項(xiàng)目是由NASA贊助的工程設(shè)計(jì)競(jìng)賽，每年從高等教育學(xué)術(shù)界尋求創(chuàng)新想法。此次項(xiàng)目目標(biāo)是在月球上設(shè)計(jì)一條金屬生產(chǎn)線(xiàn)，包括從月球礦物中提取金屬以及在現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)和工具。美國(guó)宇航局希望通過(guò)此技術(shù)推進(jìn)Artemis計(jì)劃的目標(biāo)，即在月球表面持續(xù)存在人類(lèi)。


△NASA 的太空發(fā)射系統(tǒng)火箭和集成的獵戶(hù)座飛船已準(zhǔn)備好在 NASA 的肯尼迪航天中心發(fā)射。

通過(guò)2023 年 BIG Idea Challenge（被稱(chēng)為 Lunar Forge Challenge），NASA 邀請(qǐng)大學(xué)生解決太空探索面臨的一些最關(guān)鍵的需求，并幫助創(chuàng)造可以使發(fā)現(xiàn)成為可能的任務(wù)能力。該挑戰(zhàn)為本科生和研究生與教師顧問(wèn)合作提供了在一年半以上的基于項(xiàng)目的計(jì)劃中設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和展示他們的技術(shù)的機(jī)會(huì)。此外，這項(xiàng)由 NASA 資助的挑戰(zhàn)賽為多達(dá) 8 個(gè)選定的團(tuán)隊(duì)提供高達(dá) 180,000 美元的開(kāi)發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)，這些團(tuán)隊(duì)將有機(jī)會(huì)在 2023 年 11 月的高潮論壇上構(gòu)建和展示他們的概念設(shè)計(jì)并分享他們的研究和測(cè)試結(jié)果。參加 BIG Idea Challenge 的學(xué)生團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)創(chuàng)新方法，從月球上的礦物（如鈦鐵礦和鈣長(zhǎng)石）中提取和轉(zhuǎn)化金屬，以實(shí)現(xiàn)金屬制造。

月球上的 3D 打印金屬

金屬是建筑結(jié)構(gòu)、管道、電纜等的重要資源，主要它具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性。然而，用于基礎(chǔ)設(shè)施的金屬材料很重，因此將它們運(yùn)送到軌道非常昂貴。近年來(lái)，由于 SpaceX 和 Blue Origin 等商業(yè)發(fā)射提供商的出現(xiàn)，將物體送入軌道變得更加經(jīng)濟(jì)。如今發(fā)射宇宙飛船至少比幾年前便宜十倍。例如，基于戰(zhàn)略與國(guó)際研究中心的數(shù)據(jù)，SpaceX Falcon 9 發(fā)射的搭載有效載荷（而不是預(yù)訂整個(gè)任務(wù)）將花費(fèi)每磅 2,500 美元到近地軌道 (LEO)。在 1960 年代，美國(guó)宇航局花費(fèi) 280 億美元將宇航員送上月球，今天的成本經(jīng)通脹調(diào)整后相當(dāng)于約 2880 億美元。



無(wú)論如何，將金屬送入太空的成本仍然很高。相比之下，月球上 ISRU 衍生金屬的可用性將允許使用增材制造 (AM) 在當(dāng)?shù)刂圃煸虑蚧氐幕A(chǔ)設(shè)施。所需的一些基本基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品是用于液體和氣體的儲(chǔ)存容器、擠壓件、管道、電力電纜和支撐結(jié)構(gòu)（如道路和著陸場(chǎng)）。

該機(jī)構(gòu)空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì) (STMD) 技術(shù)成熟度主管 Niki Werkheiser 在評(píng)論新挑戰(zhàn)時(shí)解釋說(shuō)：“在國(guó)內(nèi)，鍛造金屬長(zhǎng)期以來(lái)一直是我們建造房屋和基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部分，同樣如此。。這一挑戰(zhàn)讓學(xué)生有機(jī)會(huì)幫助開(kāi)發(fā)未來(lái)的技術(shù)，幫助我們?cè)谠虑虮砻姘l(fā)現(xiàn)、加工和制造金屬。”

根據(jù) NASA BIG Idea Challenge 網(wǎng)站，邀請(qǐng)團(tuán)隊(duì)提交月球金屬產(chǎn)品管道中任何一點(diǎn)所需的技術(shù)提案，包括但不限于金屬檢測(cè)、金屬精煉、AM 成型材料以及測(cè)試和合格3D在月球上使用的印刷基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)計(jì)這些團(tuán)隊(duì)將在 2022 年 9 月 30 日之前提交一份意向通知書(shū)，并在四個(gè)月后提交一份書(shū)面提案和視頻提交，描述他們的金屬產(chǎn)品生產(chǎn)管道部分如何適應(yīng)月球上的基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)。團(tuán)隊(duì)還應(yīng)確定他們假設(shè)將采用哪些系統(tǒng)來(lái)支持他們提出的概念，并考慮整合機(jī)制以實(shí)現(xiàn)在月球上的高效運(yùn)行，包括月球塵埃控制、熱管理和實(shí)際功率。

團(tuán)隊(duì)必須有至少 5 名但不超過(guò) 25 名來(lái)自美國(guó)高校的學(xué)生和教職員工，這些高校隸屬于所在州的 Space Grant Consortium，這是一個(gè)全國(guó)性的高校網(wǎng)絡(luò)。但是，非 Space Grant 附屬學(xué)院和大學(xué)可以與 Space Grant 附屬機(jī)構(gòu)合作，并鼓勵(lì)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。

美國(guó)宇航局 STEM 參與辦公室的空間撥款項(xiàng)目經(jīng)理 Tomas Gonzalez-Torres 說(shuō)：“NASA 已經(jīng)在考慮支持更長(zhǎng)期的月球任務(wù)。這個(gè) BIG Idea Challenge 主題將大學(xué)團(tuán)隊(duì)與推動(dòng)人類(lèi)在月球和其他行星上持續(xù)存在的努力聯(lián)系起來(lái)。我們很高興看到這些團(tuán)隊(duì)的發(fā)展�！�