欧空局支持“地外制造”项目：使用建筑3D打印技术建造新家园

来源：cnBeta.COM

美国宇航局（NASA）已经公布重返月球并建造月球永久基地的计划。对于长期的太空任务，宇航员需要基础设施来生活和工作，并生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上带走所有这些基础设施，可能是非常昂贵的。相反，研究人员可能需要弄清楚如何在现场制造。欧空局的 “探索& 准备”（Discovery & Preparation ）项目支持多项研究，以探索如何能够做到这一点。

使用其他天体上已有的材料来建造基础设施和生产便利设施被称为原地资源利用（ISRU）。过去在这一领域的研究已经探索和证明了基本的ISRU概念，使用在探索地点发现的资源和从地球带来的材料的组合。

需要ISRU来建立一个栖息地，使宇航员免受恶劣环境的影响，包括稀薄或不存在的大气层、极端温度、强烈辐射，甚至微流星体。它将使人类能够建造在地表活动的道路，以及往返地球的发射和着陆平台。它可以被用来生产能够产生和储存能量的设备，用于生产电力，以及用于通信的天线塔。而且，它可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造推进剂，用于四处旅行并最终返回地球。

探索&准备活动

1999年，首批与ISRU相关的  “探索& 准备”研究之一侧重于推进和动力系统，评估了本世纪对先进推进力的需求。该研究的结论是，ISRU可以降低火星任务的成本，同时提高人类的能力，但ISRU技术的研究和开发应立即开始。

于是，在与欧空局所有项目的协调下，研究继续进行。2000年完成的一项研究侧重于未来空间探索所需的动力系统，包括设计一个ISRU化学工厂，以生产推进剂、生命支持的化学品和表面活动的燃料。

同时进行的其他研究对长期空间探索进行了更广泛的考察，其中一项研究考虑了火星探索需要哪些架构和技术。该研究调查了从火星大气和土壤中生产推进剂和乘员生存所需液体的可能性--包括氮气、氧气、氢气和水。另一项关于人类对长期行星际和行星环境的生存能力和适应性的研究也发现，ISRU对于生产推进剂和生命支持消耗品可能特别有用。

快进13年，技术已经发展到足以探索更具体的ISRU概念，包括一个从火星大气中收集和储存二氧化碳并将其输送到推进系统的系统。由空中客车公司进行的这项研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将其液化以便储存。

在过去的几年里，“探索& 准备”项目支持更多关于利用月球土壤建设基础设施的研究，以及更具体的能源生成和储存方法；最近的一项研究探讨了如何利用月壤来储存热量，并为宇航员、漫游车和登陆车提供电力。

一项研究探讨了月球模拟设施如何支持ISRU技术的发展，包括测试当地材料的挖掘和加工，以及如何利用3D打印等工艺将这些材料用于建造结构。

另一个确认了月壤作为建筑材料的适用性，选择了一个合适的工艺来打印结构，甚至还设计了一个可打印的居住环境。而第三项研究最近更进一步，探讨了如何利用月球泥土3D打印任何必要的结构、设备和备件，甚至选择了哪种特定的打印工艺效果最好。

作为现有3D打印技术的替代方案，2019年的一项研究着眼于将月壤转化为纤维，以构建坚固的结构。研究人员制作了一个材料样本，以表明有可能使用这种工艺来制造局部不透水的结构。

一组“探索& 准备”研究最近探讨并确定了欧空局的月球IRSU示范任务，该任务旨在到2025年证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探讨了实际生产水和氧气的系统，提出了一个使用"碳热反应器"从土壤中提取氧气并利用它来生产水的方案。另一项研究探讨了该系统如何依靠着陆器作为电源，第三项研究了它如何与地球进行通信。

欧空局还在做什么？

为了实施月球ISRU示范任务，欧空局打算从商业部门采购任务执行服务，包括有效载荷交付、通信和运营服务。在这样做的过程中，欧空局将利用并进一步采用现有的商业举措，这些举措可能会在未来的月球探索方案中找到广泛的应用。

欧空局目前还在进行PROSPECT任务，该任务将访问和评估月球上的潜在资源，为未来可能用于提取这些资源的技术做准备。PROSPECT将在月球南极附近的地表下进行钻探，并提取预计含有水冰和其他可能在极低温度下被困的化学物质的样本。然后，钻头将把样品送到一个化学实验室，在那里对它们进行加热以提取这些化学物质。这项任务将作为俄罗斯领导的Luna-27任务的一部分，并将测试未来可能应用于资源提取的过程。

为了支持到2040年人类在月球上的存在由当地资源维持的雄心，2019年5月，欧空局发布了空间资源战略。该战略考虑了我们需要发现和开发什么来支持可持续的太空探索。该战略涵盖到2030年，届时将通过在月球上的测量确定月球资源的潜力，关键技术将被开发和展示，并确定将其引入国际任务架构的计划。在该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定使空间资源利用成为现实所需的下一步措施。

2020年，欧空局建立了一个原型工厂，用模拟的月尘生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属；因此，另一个研究方向是看看哪些是可以从它们中生产的最有用的合金，以及它们如何在月球上使用。最终的目标是设计一个可以在月球上可持续运行的“试验工厂”，并在2020年代中期进行首次技术示范。

其他空间机构在这一领域正在做什么？

美国宇航局的月球勘测轨道飞行器(LRO) 已经表明，在月壤下的某些位置存在着水冰。该轨道器发射的月球CRater观测和传感卫星从轨道器上释放出来并撞击了月球；对由此产生的16公里高的羽流的观察显示了月球表面的化学构成。

美国一些机构还在开发几个将访问月球的立方体卫星轨道任务。 Lunar Flashlight、LunaH-MAP和Lunar IceCube将旨在找出有多少水冰，以及到底在哪里可以找到它。

美国宇航局的第一个火星登陆器，维京号，返回了关于火星大气的重要数据，揭示了它是由95.9%的二氧化碳组成的。基于这一发现和随后的机器人任务返回的信息，美国宇航局已经开发了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，以利于人类在红色星球上的任务。最近，美国宇航局选择了火星氧气原位资源利用实验，或MOXIE，作为火星毅力号探测器上的七个仪器之一。

挥发性物质是容易汽化的物质，可能是月球上的水源。美国宇航局与其他空间机构一起，正在进行月球极地挥发物探索的国际协调，以增加科学知识，确定挥发物作为潜在资源的可行性，并将月球作为火星ISRU技术的试验场。

预计中国国家航天局未来的任务也将以月球极地挥发物作为潜在资源。中国对国际月球科研站的设想，最初将在2020年代末和2030年代初作为科学和研究的机器人设施建立，可能为月球资源的利用提供一个早期机会。

俄罗斯航天局（Roscosmos）正在与欧空局合作进行一系列的三个月球任务，包括 Luna-27，它将承载欧空局的PROSPECT包。该任务将以月球极地地区的测量为目标，重点关注可能在那里发现的冷困挥发物。

欧空局的下一步是什么？

通过其开放空间创新平台（OSIP），欧空局寻求关于基础设施和硬件的原地建设、制造和维护的有利技术的想法，以支持对行星体的长期探索。

建议的想法支持栖息地、移动基础设施（如道路和着陆场）、辅助基础设施（如用于通信和能源生产和储存）以及硬件（如工具、内部设备、机械等）的建设。

这些想法包括许多新颖的方法，用于熔化和3D打印月球土壤，用月球土壤制造太阳能电池，优化能源储存，寻找不需要土壤就能用有机废物种植植物的方法，利用月球土壤建造作物友好型温室，以及利用空间碎片建造基础设施。许多想法现在正由欧空局作为研究、共同资助的研究项目或早期技术发展项目来实施。要了解更多信息，请访问本次创意征集的结果部分。

由于研究人员对月球和小行星的知识和理解的进步，国际研究机构和私企对空间技术参与的增加，以及新技术的出现，利用空间资源进行探索现在已经触手可及。