如何在外星建造人类家园：“就地资源利用”刺激地球上的创新

北京时间 3 月 6 日消息，据国外媒体报道，人类即将重返月球，而这一次，我们可能会建立长期的月球基地。然而，在长期的太空任务中，宇航员们的生活和工作都需要必要的基础设施，他们还需要展开实地探索活动，与地球保持联系，同时生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上携带所有这些基础设施需要付出极为昂贵的代价，因此，更合理的方案是就地获取材料并进行建造。为了探索这种可能性，欧洲空间局（ESA）的"探索与准备"（Discovery & Preparation）计划已经为多个研究项目提供了支持。

▲ 未来的月球基地或许将使用 3D 打印技术来生产和维护。

使用其他天体上的材料建造基础设施和生产设施的解决方案被称为"就地资源利用"（ISRU）。以往在这一领域的研究已经探索并展示了 ISRU 的基本概念，主要结合了勘探现场发现的资源与从地球带来的材料。

想要建立一个能够保护宇航员免受恶劣环境 -- 包括稀薄或不存在的大气、极端温度、强辐射甚至微流星体等 -- 影响的地外家园，ISRU 就是必需的。通过利用就地资源，我们将能够在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的发射和着陆平台。ISRU 也可以用来生产能够产生并储存能量的发电设备，以及用于通信的天线塔。此外，ISRU 还可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造出可供外星探索和最终返回地球的推进剂。

"探索与准备"项目

▲ 通过对前往月球的运输服务进行测试，欧空局希望推动技术的极限，并创造新的太空商业模式。

1999 年，第一个与 ISRU 相关的"探索与准备"研究项目重点关注了推进和动力系统，并评估了本世纪对先进推进技术的需求。这项研究的结论是，ISRU 可以降低火星任务的成本，同时提高推进性能，但 ISRU 技术的研究和开发应该马上开始。

因此，在欧空局其他所有项目的配合下，ISRU 的相关研究继续进行。2000 年完成的一项研究侧重于未来太空探索所需的动力系统，包括设计一座 ISRU 化工厂，以生产推进剂和生命维持所需的化学品，以及外星表面活动所需的燃料。

同时进行的其他研究则更广泛地关注长期的太空探索，其中一项研究考虑了火星探索需要什么样的架构和技术。该研究探索了利用火星大气和土壤来生产推进剂和宇航员生存所需液体 -- 包括氮、氧、氢和水 -- 的可能性。另一项研究关注的是人类在长期星际和行星环境中的生存能力和适应性，发现 ISRU 在生产推进剂和生命维持消耗品方面可能有着重要的作用。

13 年时间很快过去，随着技术的发展，研究人员已经能够探索更加具体的 ISRU 概念，包括一个从火星大气中收集、储存二氧化碳并将其输送到推进器的系统。这项由空中客车公司进行的研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将二氧化碳液化储存。

在过去的几年里，"探索与准备"计划还支持了诸多研究，比如利用月球土壤建造基础设施，以及更具体的能源生产和储存方法；最近的一项研究探索了如何利用月壤储存热量，并为宇航员、漫游车和着陆器提供电力。

▲ 地球重力场和海洋环流探测卫星（GOCE）的离子推进装置特写。

一项研究探索了月球模拟设施如何支持 ISRU 技术的发展，包括对就地材料的挖掘和加工方法进行测试，以及如何利用 3D 打印等工艺将这些材料用于建造结构。

另一项研究证实了月壤作为建筑材料的可行性。研究人员选择了一种利用月壤打印结构的合适工艺，甚至设计了一个可打印的居住地。还有一项研究最近更进一步，探索了如何利用月球风化层进行 3D 打印，甚至确定了效果最好的打印工艺。

作为现有 3D 打印技术的替代方案，2019 年的一项研究试图将月壤转化为纤维，用于建造坚固的结构。研究人员制作了一份材料样本，证明用这种方法制造局部不透水的结构是可能的。

最近，"探索与准备"计划资助的一组研究探索并定义了欧空局的月球 IRSU 示范任务，该任务的目标是到 2025 年时，证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探索了实际能生产水和氧气的系统，提出了一个使用"碳热反应堆"从土壤中提取氧气并用其来生产水的方案。另外两项研究分别探索了该系统如何依靠着陆器作为电源，以及它如何与地球通信。

为了实施月球 ISRU 示范任务，欧空局打算从商业机构采购任务赋能服务，包括有效载荷交付、通信和操作服务等。在这一过程中，欧空局将利用并进一步培育现有的商业方案，这些方案可能在未来的月球探索场景中得到广泛应用。

欧空局目前还在进行"PROSPECT"任务，该任务将探访并评估月球上的潜在资源，为未来可能用于开采这些资源的技术做准备。PROSPECT 将在月球南极附近的月表下进行钻探，提取可能含有水冰和其他可能在极低温度下冻结的化学物质的样本。然后，钻头将把样本送到一个化学实验室，在那里对样本进行加热，以提取化学物质。这次任务将作为俄罗斯领导的"月球-27"（Luna-27）任务的一部分，并将测试未来可能应用于地外资源开采的过程。

▲ 用 3D 打印机将就地材料建造成未来的月球基地将会变得更加简单。包括著名的福斯特建筑事务所在内的工业界伙伴正与欧空局一道，测试利用月壤进行 3D 打印的可行性。

2019 年 5 月，欧空局发布了"空间资源战略"（Space Resources Strategy），以支持到 2040 年利用就地资源维持人类在月球上存在的雄心。该战略着眼于人类需要发现和发展什么样的技术，以支持可持续的太空探索。该战略涵盖的时间范围到 2030 年，届时月球资源的潜力将通过在月球上的测量得到确定，关键的技术也将被开发和展示出来，并将确定将其纳入国际任务架构的计划。该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定实现空间资源利用所需的下一步计划。

2020 年，欧洲航天局建立了一个原型工厂，从模拟的月球尘埃中生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属，因此该研究的另一个方向就是从这些材料中生产出最有利用价值的合金，并探索它们在月球上的用途。最终目标是设计一个可以在月球上持续运行的"试点工厂"，第一个技术示范计划在本世纪 20 年代中期进行。

这一领域的其他太空机构在做什么？

美国国家航空航天局（NASA）的月球勘测轨道飞行器已经探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。从该轨道器释放的月球坑观测和传感卫星（LCROSS）在 2009 年 10 月 9 日撞击月球，产生了 16 千米高的尘埃羽流。科学家经过观察和分析后，确定了月球表面的化学成分，表明水的确存在于月球上。

NASA 还在开发多项将造访月球的立方卫星轨道任务，如"月球手电筒"（Lunar Flashlight）、"月球地图"（LunaH-MAP）和"月球冰立方"（Lunar IceCube）等，这些任务将致力于发现月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。

▲ 材料和电气部件实验室里，研究人员正利用模拟的月球尘埃生产氧气和金属。

NASA 的第一个火星着陆器"海盗号"发回了有关火星大气的重要数据，揭示了火星大气中 95.9% 的成分为二氧化碳。基于这一发现和后续探测任务传回的信息，NASA 已经开发出了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，这将有利于人类前往火星的任务。最近，NASA 选择了火星氧气原位资源利用实验（MOXIE）作为"毅力"号火星探测车搭载的 7 个科学仪器之一。

挥发物是一种容易蒸发的物质，有可能成为月球上的水源。NASA 正在与其他空间机构一道，协调对月球极地挥发物探测的国际合作，以确定挥发物作为潜在资源的可行性，并试图将月球作为火星 ISRU 技术的试验场。

▲ 美国国家航空航天局（NASA）毅力号火星探测器的想象图。

中国国家航天局未来的任务也有望将月球极地挥发物作为潜在资源。在中国的国际月球研究站设想中，预计将在本世纪 20 年代末到 30 年代初建成一个用于科学研究的自动化设施，可能为利用月球资源提供先机。

俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）正在与欧空局合作进行三次"月球"系列任务，其中就包括"月球-27"任务，它将承载欧空局 PROSPECT 项目的一揽子计划。该任务将在月球极地地区进行测量，重点关注那里可能发现的低温挥发性物质。

目前，研究者已经提出了许多想法，为定居点、移动基础设施（如道路和着陆平台）、辅助基础设施（如通信、能源生产和储存）和硬件（如工具、室内设备、机械和衣物）的建设提供了支持。

这些想法中，包括了融化和 3D 打印月壤、用月壤制造太阳能电池，以及优化能量储存的新方法。此外，也有研究者在寻找不需要月壤就能利用有机垃圾种植植物，利用月壤建造有利于作物生长的温室，以及利用太空垃圾建造基础设施的方法。目前，欧空局正在以多种形式为这些想法提供资助，希望早日能将它们变成现实。

▲ 提交给欧空局开放空间创新平台（OSIP）的一个想法提出，轨道碎片可以用于在月球上就地生产资源。

随着我们对月球和小行星的认识和了解逐渐提高，国际和私营机构更多地参与空间技术，以及新技术的出现，利用空间资源进行外星探索的可能性已触手可及。

当然，开发利用就地资源支持未来宇航员的技术和方法仍然是一项挑战，但在克服这项挑战的过程中，相关的技术需求和管理有限资源的新方法也会刺激地球上的创新。这或许将帮助我们找到应对全球挑战的新方法，并为地球工业带来中长期的经济回报。