NASA推出學生挑戰(zhàn)賽，計劃在月球上提取金屬和建設3D打印基礎設施

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來幫助工作人員度過難關。

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，在設計這些即將到來的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，這也是人類考慮利用當?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)賽與大學合作。學生領導團隊的目標是在月球上設計一條金屬生產(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，即在月球表面建設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。然而，所有這一切都將在未來十年間發(fā)生變化，盡管風險很大。美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)計劃了多項任務，包括Artemis任務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生解決太空探索所面臨的一些最關鍵的需求，并幫助創(chuàng)建可能實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的任務能力。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計、開發(fā)和展示其技術。

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，用于基礎設施的金屬材料很重，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（而不是預訂整個任務），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設施可以使用增材制造（AM）在當?shù)刂圃�。所需的幾個基本基礎設施產(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空間技術任務局（STMD）內(nèi)的技術成熟度主任Niki Werkheiser解釋說："在國內(nèi)，鍛造金屬長期以來一直是建設我們的家園和基礎設施的一個關鍵部分，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)讓學生有機會幫助開發(fā)未來的技術，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打印基礎設施。

預計這些團隊將在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設施發(fā)展。團隊還應該確定他們假設會有哪些系統(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（一個全國性的學院和大學網(wǎng)絡）有關的美國學院和大學。然而，非空間資助聯(lián)盟的學院和大學可以與空間資助聯(lián)盟的機構(gòu)合作，作為多大學和多學科的團隊被鼓勵。

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。這個大創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽的主題將大學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，并開始處理一旦我們將人類送回月球后的任務規(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 學生挑戰(zhàn)賽之一，旨在讓創(chuàng)新和高影響力的能力和技術成熟，以應對廣泛的未來太空任務。