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(qiáng)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(jìn)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(jìn)和動力系統(tǒng),，評估了本世紀(jì)對先進(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,，同時提高人類的能力,，但I(xiàn)SRU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(jìn)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(jìn)劑、生命支持的化學(xué)品和表面活動的燃料,。

同時進(jìn)行的其他研究對長期空間探索進(jìn)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(jìn)劑和乘員生存所需液體的可能性--包括氮?dú)�,、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(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,，包括一個從火星大氣中收集和儲存二氧化碳并將其輸送到推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng),。由空中客車公司進(jìn)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(rèn)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(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(jìn)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(yùn)營服務(wù),。在這樣做的過程中，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)绾卧谠虑蛏鲜褂谩Ｗ罱K的目標(biāo)是設(shè)計一個可以在月球上可持續(xù)運(yùn)行的“試驗工廠”,，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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)一起,，正在進(jìn)行月球極地?fù)]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?fù)]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(jī)器人設(shè)施建立,，可能為月球資源的利用提供一個早期機(jī)會。

俄羅斯航天局（Roscosmos）正在與歐空局合作進(jìn)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(hù)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(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能電池，優(yōu)化能源儲存,，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(jìn)步，國際研究機(jī)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(jìn)行探索現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及,。