NASA推出學(xué)生挑戰(zhàn)賽，計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劃——阿爾忒彌斯登月任務(wù)將在8.29號開始。此外，NASA航天局正計劃在 2024 年12 月之前將團隊派往月球南極。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)計這些即將到來的任務(wù)時要考慮的最關(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)團隊的目標(biāo)是在月球上設(shè)計一條金屬生產(chǎn)管道，包括從月球礦物中提取金屬以及在現(xiàn)場創(chuàng)建結(jié)構(gòu)和工具。通過最近宣布的這項倡議，美國宇航局希望推進阿爾忒彌斯計劃的目標(biāo)，即在月球表面建設(shè)供人類長久居住的棲息地。

△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號宇航員尤金-塞爾南最后一次踏上月球，已經(jīng)過去了半個世紀(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)險很大。美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)計劃了多項任務(wù)，包括Artemis任務(wù)的兩個無人駕駛階段--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會，在一年半的時間里，在一個基于項目的計劃中設(shè)計、開發(fā)和展示其技術(shù)。

此外，這項由美國宇航局資助的挑戰(zhàn)賽為最多8個被選中的團隊提供高達18萬美元的開發(fā)獎，這些團隊將有機會建立和展示他們的概念設(shè)計，并在2023年11月的高潮論壇上分享他們的研究和測試成果。

參加BIG Idea挑戰(zhàn)賽的學(xué)生團隊將獲得開發(fā)創(chuàng)新的方法，從月球上發(fā)現(xiàn)的礦物，如鈦鐵礦和鈣長石中提取和轉(zhuǎn)換金屬，以實現(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惠。今天發(fā)射一個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號發(fā)射中搭載有效載荷（而不是預(yù)訂整個任務(wù)），每磅到低地球軌道（LEO）的費用為2500美元。以前，搭車的價格會高得多。例如，在20世紀(jì)60年代，美國宇航局花費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�。所需的幾個基本基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品是液體和氣體的存儲容器、擠壓件、管道、電力電纜和支持結(jié)構(gòu)（如道路和著陸點）。

在評論新的挑戰(zhàn)時，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)，鍛造金屬長期以來一直是建設(shè)我們的家園和基礎(chǔ)設(shè)施的一個關(guān)鍵部分，在我們努力實現(xiàn)在月球上的持續(xù)存在時也是如此。這項挑戰(zhàn)讓學(xué)生有機會幫助開發(fā)未來的技術(shù)，幫助我們在月球表面尋找、加工和制造金屬。"

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

預(yù)計這些團隊將在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。團隊還應(yīng)該確定他們假設(shè)會有哪些系統(tǒng)來支持他們提出的概念，以及考慮納入機制，以實現(xiàn)在月球上的高效運作，包括月球灰塵緩解、熱管理和現(xiàn)實的電力考慮。

參賽團隊必須有至少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)盟的機構(gòu)合作，作為多大學(xué)和多學(xué)科的團隊被鼓勵。

美國宇航局STEM參與辦公室的太空資助項目經(jīng)理Tomas Gonzalez-Torres說："美國宇航局已經(jīng)在考慮支持更長期的登月任務(wù)。這個大創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽的主題將大學(xué)團隊與推動人類在月球和其他星球上的持續(xù)存在聯(lián)系起來。這個主題超越了最初的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隊的發(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)對廣泛的未來太空任務(wù)。