NASA推出學(xué)生挑戰(zhàn)賽，計(jì)劃在月球上提取金屬和建設(shè)3D打印基礎(chǔ)設(shè)施

2022年8月28日，南極熊獲悉，美國宇航局的重返月球計(jì)劃——阿爾忒彌斯登月任務(wù)將在8.29號(hào)開始。此外，NASA航天局正計(jì)劃在 2024 年12 月之前將團(tuán)隊(duì)派往月球南極。但完成這次登月將需要新技術(shù)來幫助工作人員度過難關(guān)。

月球上的環(huán)境極其惡劣：大氣層稀少，沒有防輻射保護(hù)措施，沙塵暴，極端溫度介于 260 F(127 C) 和 -397 F (-238 C) 之間。因此，在設(shè)計(jì)這些即將到來的任務(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，這也是人類考慮利用當(dāng)?shù)刭Y源生存的主要原因。

美國宇航局的大創(chuàng)意挑戰(zhàn)

為了推進(jìn)適合月球微重力條件下的金屬提取工藝，美國宇航局正在通過其年度突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則 (BIG) 創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽與大學(xué)合作。學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在月球上設(shè)計(jì)一條金屬生產(chǎn)管道，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。通過最近宣布的這項(xiàng)倡議，美國宇航局希望推進(jìn)阿爾忒彌斯計(jì)劃的目標(biāo)，即在月球表面建設(shè)供人類長(zhǎng)久居住的棲息地。

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

自從阿波羅17號(hào)宇航員尤金-塞爾南最后一次踏上月球，已經(jīng)過去了半個(gè)世紀(jì)。然而，所有這一切都將在未來十年間發(fā)生變化，盡管風(fēng)險(xiǎn)很大。美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)計(jì)劃了多項(xiàng)任務(wù)，包括Artemis任務(wù)的兩個(gè)無人駕駛階段--Artemis I和Artemis II--在Artemis III上將人類安全發(fā)射到月球軌道前。

通過被稱為“月球鍛造挑戰(zhàn)“2023年的大創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽（BIG Idea Challenge），美國宇航局邀請(qǐng)大學(xué)生解決太空探索所面臨的一些最關(guān)鍵的需求，并幫助創(chuàng)建可能實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的任務(wù)能力。該挑戰(zhàn)為與教師顧問合作的本科生和研究生提供機(jī)會(huì)，在一年半的時(shí)間里，在一個(gè)基于項(xiàng)目的計(jì)劃中設(shè)計(jì)、開發(fā)和展示其技術(shù)。

此外，這項(xiàng)由美國宇航局資助的挑戰(zhàn)賽為最多8個(gè)被選中的團(tuán)隊(duì)提供高達(dá)18萬美元的開發(fā)獎(jiǎng)，這些團(tuán)隊(duì)將有機(jī)會(huì)建立和展示他們的概念設(shè)計(jì)，并在2023年11月的高潮論壇上分享他們的研究和測(cè)試成果。

參加BIG Idea挑戰(zhàn)賽的學(xué)生團(tuán)隊(duì)將獲得開發(fā)創(chuàng)新的方法，從月球上發(fā)現(xiàn)的礦物，如鈦鐵礦和鈣長(zhǎng)石中提取和轉(zhuǎn)換金屬，以實(shí)現(xiàn)金屬制造。

在月球上3D打印金屬

金屬是建筑結(jié)構(gòu)、管道、電纜等的重要資源，主要是由于其強(qiáng)度和抗腐蝕性。然而，用于基礎(chǔ)設(shè)施的金屬材料很重，使其運(yùn)輸?shù)杰壍郎戏浅０嘿F�？赡苁墙�年來，由于SpaceX和Blue Origin等商業(yè)發(fā)射供應(yīng)商的出現(xiàn)，將物體送入軌道變得更加實(shí)惠。今天發(fā)射一個(gè)航天器至少比幾年前便宜十倍。例如，根據(jù)戰(zhàn)略與國際研究中心的數(shù)據(jù)，在SpaceX獵鷹9號(hào)發(fā)射中搭載有效載荷（而不是預(yù)訂整個(gè)任務(wù)），每磅到低地球軌道（LEO）的費(fèi)用為2500美元。以前，搭車的價(jià)格會(huì)高得多。例如，在20世紀(jì)60年代，美國宇航局花費(fèi)280億美元讓宇航員登陸月球，按通貨膨脹調(diào)整后的美元計(jì)算，今天的成本相當(dāng)于約2880億美元。

言歸正傳，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使月球基地的基礎(chǔ)設(shè)施可以使用增材制造（AM）在當(dāng)?shù)刂圃�。所需的幾個(gè)基本基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品是液體和氣體的存儲(chǔ)容器、擠壓件、管道、電力電纜和支持結(jié)構(gòu)（如道路和著陸點(diǎn)）。

在評(píng)論新的挑戰(zhàn)時(shí)，NASA空間技術(shù)任務(wù)局（STMD）內(nèi)的技術(shù)成熟度主任Niki Werkheiser解釋說："在國內(nèi)，鍛造金屬長(zhǎng)期以來一直是建設(shè)我們的家園和基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)關(guān)鍵部分，在我們努力實(shí)現(xiàn)在月球上的持續(xù)存在時(shí)也是如此。這項(xiàng)挑戰(zhàn)讓學(xué)生有機(jī)會(huì)幫助開發(fā)未來的技術(shù)，幫助我們?cè)谠虑虮砻鎸ふ�、加工和制造金屬�?

根據(jù)NASA BIG Idea Challenge網(wǎng)站，各團(tuán)隊(duì)被邀請(qǐng)?zhí)峤辉虑蚪饘佼a(chǎn)品管道中任何一點(diǎn)所需的技術(shù)提案，包括但不限于金屬探測(cè)、金屬提煉、AM的成型材料，以及測(cè)試和鑒定在月球上使用的3D打印基礎(chǔ)設(shè)施。

預(yù)計(jì)這些團(tuán)隊(duì)將在2022年9月30日之前提交一份不具約束力的意向書，并在四個(gè)月后提交一份書面建議和視頻資料，說明他們的金屬產(chǎn)品生產(chǎn)管道部分如何適合月球上的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展。團(tuán)隊(duì)還應(yīng)該確定他們假設(shè)會(huì)有哪些系統(tǒng)來支持他們提出的概念，以及考慮納入機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)在月球上的高效運(yùn)作，包括月球灰塵緩解、熱管理和現(xiàn)實(shí)的電力考慮。

參賽團(tuán)隊(duì)必須有至少5名但不超過25名師生，這些師生來自與本州太空資助聯(lián)盟（一個(gè)全國性的學(xué)院和大學(xué)網(wǎng)絡(luò)）有關(guān)的美國學(xué)院和大學(xué)。然而，非空間資助聯(lián)盟的學(xué)院和大學(xué)可以與空間資助聯(lián)盟的機(jī)構(gòu)合作，作為多大學(xué)和多學(xué)科的團(tuán)隊(duì)被鼓勵(lì)。

美國宇航局STEM參與辦公室的太空資助項(xiàng)目經(jīng)理Tomas Gonzalez-Torres說："美國宇航局已經(jīng)在考慮支持更長(zhǎng)期的登月任務(wù)。這個(gè)大創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽的主題將大學(xué)團(tuán)隊(duì)與推動(dòng)人類在月球和其他星球上的持續(xù)存在聯(lián)系起來。這個(gè)主題超越了最初的Artemis任務(wù)，并開始處理一旦我們將人類送回月球后的任務(wù)規(guī)劃需求。我們很高興看到這些團(tuán)隊(duì)的發(fā)展。"

NASA 的 BIG IdeaChallenge 是Artemis 學(xué)生挑戰(zhàn)賽之一，旨在讓創(chuàng)新和高影響力的能力和技術(shù)成熟，以應(yīng)對(duì)廣泛的未來太空任務(wù)。