歐空局支持“地外制造”項(xiàng)目：使用建筑3D打印技術(shù)建造新家園

來(lái)源：cnBeta.COM

美國(guó)宇航局（NASA）已經(jīng)公布重返月球并建造月球永久基地的計(jì)劃。對(duì)于長(zhǎng)期的太空任務(wù)，宇航員需要基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)生活和工作，并生產(chǎn)對(duì)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(chǎng)制造。歐空局的 “探索& 準(zhǔn)備”（Discovery & Preparation ）項(xiàng)目支持多項(xiàng)研究，以探索如何能夠做到這一點(diǎn)。

使用其他天體上已有的材料來(lái)建造基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)便利設(shè)施被稱(chēng)為原地資源利用（ISRU）。過(guò)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)的資源和從地球帶來(lái)的材料的組合。

需要ISRU來(lái)建立一個(gè)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(qiáng)烈輻射，甚至微流星體。它將使人類(lèi)能夠建造在地表活動(dòng)的道路，以及往返地球的發(fā)射和著陸平臺(tái)。它可以被用來(lái)生產(chǎn)能夠產(chǎn)生和儲(chǔ)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(jìn)劑，用于四處旅行并最終返回地球。

探索&準(zhǔn)備活動(dòng)

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(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)，評(píng)估了本世紀(jì)對(duì)先進(jìn)推進(jìn)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(shí)提高人類(lèi)的能力，但I(xiàn)SRU技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)立即開(kāi)始。

于是，在與歐空局所有項(xiàng)目的協(xié)調(diào)下，研究繼續(xù)進(jìn)行。2000年完成的一項(xiàng)研究側(cè)重于未來(lái)空間探索所需的動(dòng)力系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)一個(gè)ISRU化學(xué)工廠，以生產(chǎn)推進(jìn)劑、生命支持的化學(xué)品和表面活動(dòng)的燃料。

同時(shí)進(jìn)行的其他研究對(duì)長(zhǎng)期空間探索進(jìn)行了更廣泛的考察，其中一項(xiàng)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(jìn)劑和乘員生存所需液體的可能性--包括氮?dú)狻⒀鯕�、氫氣和水。另一�?xiàng)關(guān)于人類(lèi)對(duì)長(zhǎng)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(duì)于生產(chǎn)推進(jìn)劑和生命支持消耗品可能特別有用。

快進(jìn)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(gè)從火星大氣中收集和儲(chǔ)存二氧化碳并將其輸送到推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)。由空中客車(chē)公司進(jìn)行的這項(xiàng)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(chǔ)存。

在過(guò)去的幾年里，“探索& 準(zhǔn)備”項(xiàng)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(chǔ)存方法；最近的一項(xiàng)研究探討了如何利用月壤來(lái)儲(chǔ)存熱量，并為宇航員、漫游車(chē)和登陸車(chē)提供電力。

一項(xiàng)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(cè)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(gè)確認(rèn)了月壤作為建筑材料的適用性，選擇了一個(gè)合適的工藝來(lái)打印結(jié)構(gòu)，甚至還設(shè)計(jì)了一個(gè)可打印的居住環(huán)境。而第三項(xiàng)研究最近更進(jìn)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(xiàng)研究著眼于將月壤轉(zhuǎn)化為纖維，以構(gòu)建堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。研究人員制作了一個(gè)材料樣本，以表明有可能使用這種工藝來(lái)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(shí)際生產(chǎn)水和氧氣的系統(tǒng)，提出了一個(gè)使用"碳熱反應(yīng)器"從土壤中提取氧氣并利用它來(lái)生產(chǎn)水的方案。另一項(xiàng)研究探討了該系統(tǒng)如何依靠著陸器作為電源，第三項(xiàng)研究了它如何與地球進(jìn)行通信。

歐空局還在做什么？

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

歐空局目前還在進(jìn)行PROSPECT任務(wù)，該任務(wù)將訪問(wèn)和評(píng)估月球上的潛在資源，為未來(lái)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(jìn)行鉆探，并提取預(yù)計(jì)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(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在那里對(duì)它們進(jìn)行加熱以提取這些化學(xué)物質(zhì)。這項(xiàng)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(cè)試未來(lái)可能應(yīng)用于資源提取的過(guò)程。

為了支持到2040年人類(lèi)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(kāi)發(fā)什么來(lái)支持可持續(xù)的太空探索。該戰(zhàn)略涵蓋到2030年，屆時(shí)將通過(guò)在月球上的測(cè)量確定月球資源的潛力，關(guān)鍵技術(shù)將被開(kāi)發(fā)和展示，并確定將其引入國(guó)際任務(wù)架構(gòu)的計(jì)劃。在該戰(zhàn)略公布后，歐空局主辦了一個(gè)研討會(huì)，以確定使空間資源利用成為現(xiàn)實(shí)所需的下一步措施。

2020年，歐空局建立了一個(gè)原型工廠，用模擬的月塵生產(chǎn)氧氣。從月壤中去除氧氣會(huì)留下各種金屬；因此，另一個(gè)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(jì)一個(gè)可以在月球上可持續(xù)運(yùn)行的“試驗(yàn)工廠”，并在2020年代中期進(jìn)行首次技術(shù)示范。

其他空間機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域正在做什么？

美國(guó)宇航局的月球勘測(cè)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(cè)和傳感衛(wèi)星從軌道器上釋放出來(lái)并撞擊了月球；對(duì)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(guó)一些機(jī)構(gòu)還在開(kāi)發(fā)幾個(gè)將訪問(wèn)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(guó)宇航局的第一個(gè)火星登陸器，維京號(hào)，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。基于這一發(fā)現(xiàn)和隨后的機(jī)器人任務(wù)返回的信息，美國(guó)宇航局已經(jīng)開(kāi)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(lèi)在紅色星球上的任務(wù)。最近，美國(guó)宇航局選擇了火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)，或MOXIE，作為火星毅力號(hào)探測(cè)器上的七個(gè)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(guó)宇航局與其他空間機(jī)構(gòu)一起，正在進(jìn)行月球極地?fù)]發(fā)物探索的國(guó)際協(xié)調(diào)，以增加科學(xué)知識(shí)，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(yàn)場(chǎng)。

預(yù)計(jì)中國(guó)國(guó)家航天局未來(lái)的任務(wù)也將以月球極地?fù)]發(fā)物作為潛在資源。中國(guó)對(duì)國(guó)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(jī)器人設(shè)施建立，可能為月球資源的利用提供一個(gè)早期機(jī)會(huì)。

俄羅斯航天局（Roscosmos）正在與歐空局合作進(jìn)行一系列的三個(gè)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(cè)量為目標(biāo)，重點(diǎn)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(guò)其開(kāi)放空間創(chuàng)新平臺(tái)（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(hù)的有利技術(shù)的想法，以支持對(duì)行星體的長(zhǎng)期探索。

建議的想法支持棲息地、移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施（如道路和著陸場(chǎng)）、輔助基礎(chǔ)設(shè)施（如用于通信和能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存）以及硬件（如工具、內(nèi)部設(shè)備、機(jī)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(yáng)能電池，優(yōu)化能源儲(chǔ)存，尋找不需要土壤就能用有機(jī)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(xiàng)目或早期技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目來(lái)實(shí)施。要了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)本次創(chuàng)意征集的結(jié)果部分。

由于研究人員對(duì)月球和小行星的知識(shí)和理解的進(jìn)步，國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和私企對(duì)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(jìn)行探索現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。