美國宇航局“BIG Idea Challenge”比賽開啟：有望實現(xiàn)月壤材料原位制造

導讀：隨著美國宇航局的第一個Artemis登月任務將在短短幾天內發(fā)射，航天局正準備在2024 年12月之前將團隊派往月球南極的任務。完成這次登月任務并不是一項易事，需要新技術來幫助工作人員度過難關。惡劣的月球環(huán)境，大氣層稀少，沒有防輻射保護措施，磨砂塵，極端溫度都是需要解決的問題。因此，在解決這些任務時要考慮的最關鍵方面之一是就地資源利用(ISRU) 的可用性，人類可以利用當?shù)刭Y源生存。



美國宇航局的 BIG Idea Challenge

2022年8月，南極熊獲悉為了推進適合月球微重力條件的制造工藝，美國宇航局正舉辦一年一度的Game-Changing (BIG) Idea Challenge的項目，此項目是由NASA贊助的工程設計競賽，每年從高等教育學術界尋求創(chuàng)新想法。此次項目目標是在月球上設計一條金屬生產線，包括從月球礦物中提取金屬以及在現(xiàn)場創(chuàng)建結構和工具。美國宇航局希望通過此技術推進Artemis計劃的目標，即在月球表面持續(xù)存在人類。


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

通過2023 年 BIG Idea Challenge（被稱為 Lunar Forge Challenge），NASA 邀請大學生解決太空探索面臨的一些最關鍵的需求，并幫助創(chuàng)造可以使發(fā)現(xiàn)成為可能的任務能力。該挑戰(zhàn)為本科生和研究生與教師顧問合作提供了在一年半以上的基于項目的計劃中設計、開發(fā)和展示他們的技術的機會。此外，這項由 NASA 資助的挑戰(zhàn)賽為多達 8 個選定的團隊提供高達 180,000 美元的開發(fā)獎勵，這些團隊將有機會在 2023 年 11 月的高潮論壇上構建和展示他們的概念設計并分享他們的研究和測試結果。參加 BIG Idea Challenge 的學生團隊將開發(fā)創(chuàng)新方法，從月球上的礦物（如鈦鐵礦和鈣長石）中提取和轉化金屬，以實現(xiàn)金屬制造。

月球上的 3D 打印金屬

金屬是建筑結構、管道、電纜等的重要資源，主要它具有高強度和耐腐蝕性。然而，用于基礎設施的金屬材料很重，因此將它們運送到軌道非常昂貴。近年來，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濟。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)略與國際研究中心的數(shù)據，SpaceX Falcon 9 發(fā)射的搭載有效載荷（而不是預訂整個任務）將花費每磅 2,500 美元到近地軌道 (LEO)。在 1960 年代，美國宇航局花費 280 億美元將宇航員送上月球，今天的成本經通脹調整后相當于約 2880 億美元。



無論如何，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?shù)刂圃煸虑蚧�地的基礎設施。所需的一些基本基礎設施產品是用于液體和氣體的儲存容器、擠壓件、管道、電力電纜和支撐結構（如道路和著陸場）。

該機構空間技術任務理事會 (STMD) 技術成熟度主管 Niki Werkheiser 在評論新挑戰(zhàn)時解釋說：“在國內，鍛造金屬長期以來一直是我們建造房屋和基礎設施的關鍵部分，同樣如此。。這一挑戰(zhàn)讓學生有機會幫助開發(fā)未來的技術，幫助我們在月球表面發(fā)現(xiàn)、加工和制造金屬。”

根據 NASA BIG Idea Challenge 網站，邀請團隊提交月球金屬產品管道中任何一點所需的技術提案，包括但不限于金屬檢測、金屬精煉、AM 成型材料以及測試和合格3D在月球上使用的印刷基礎設施。預計這些團隊將在 2022 年 9 月 30 日之前提交一份意向通知書，并在四個月后提交一份書面提案和視頻提交，描述他們的金屬產品生產管道部分如何適應月球上的基礎設施開發(fā)。團隊還應確定他們假設將采用哪些系統(tǒng)來支持他們提出的概念，并考慮整合機制以實現(xiàn)在月球上的高效運行，包括月球塵埃控制、熱管理和實際功率。

團隊必須有至少 5 名但不超過 25 名來自美國高校的學生和教職員工，這些高校隸屬于所在州的 Space Grant Consortium，這是一個全國性的高校網絡。但是，非 Space Grant 附屬學院和大學可以與 Space Grant 附屬機構合作，并鼓勵多學科團隊。

美國宇航局 STEM 參與辦公室的空間撥款項目經理 Tomas Gonzalez-Torres 說：“NASA 已經在考慮支持更長期的月球任務。這個 BIG Idea Challenge 主題將大學團隊與推動人類在月球和其他行星上持續(xù)存在的努力聯(lián)系起來。我們很高興看到這些團隊的發(fā)展。”