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未来20年探索月球和火星可能会用到这些“黑科技”

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据外媒报道,从《星际迷航》(Star Trek)中的便携式医疗扫描仪到《苍穹浩瀚》(The Expanse)中的外星农场,科幻小说经常为NASA和其他太空机构的未来研究提供灵感。美国宇航局(NASA)正通过其创新先进概念(NIAC)项目招募研究人员探讨类似的科幻想法,其中有些很可能在未来20年成为现实。

十年前,在火星上操作直升机飞行或部署月球车绘制月球冰图似乎都是遥不可及的梦想,但火星直升机今年早些时候就已经升空,而月球车也在计划阶段。现在,NIAC项目的会议组织者已经征集了更多探索性项目提案,其中有些最终可能会得到NASA的资助。

NIAC项目主管杰森·德莱斯(Jason Derleth)说:“我们投资的是长期的、看似遥不可及的技术,其中大多数可能不会奏效。但如果它们取得成功,一切都可能为之改变。这是高风险、高回报的投资组合,与风险投资没什么区别。”

德莱斯还称,这个项目的重点不是渐进式开发,而是寻求改变游戏规则的技术,这些技术比目前最先进的技术还要好上十倍。他将其比作美国国防部下属研发机构DARPA,后者也探索极具投机性的概念,但却帮助开发了现代互联网先驱以及其他创新。

到目前为止,今年会议讨论的提案,比如发射可折叠空间站或宇航员栖息地的新方法,或者从其他世界提取资源,都围绕着这样理念进行,即为了支持漫长的太空旅行,必须充分利用每次火箭发射。

未来的太空游客将需要更多资源来维持生存,需要保护性设施,需要燃料来支持更远的旅行或回家。得克萨斯大学埃尔帕索分校航空工程师阿米莉亚·格雷格(Amelia Greig)说:“这给我们留下了两个选择:第一,把所有东西都带上,就像你要去沙漠徒步旅行一样;第二,寻找新的、有创意的方法来利用现有的一切。”

一次开采多种月球资源

为了帮助创造性地重新利用月球资源,格雷格和她的同事们提出了一种名为“烧蚀弧采矿”技术,这种技术可以吸收水冰以及可以用作建筑材料的各种金属。她在演讲中说:“这就像是用可控的闪电来开采月球资源。”

在格雷格的构想中,她描述了面包车大小的月球爬行器,并以《星球大战》(Star Wars)中的沙地履带车命名。这种爬行器会自己选择地点,然后部署环形装置,前端与地面平行。电弧会划过直径可达一米的圆环,将月球表面的颗粒撕裂。这些粒子带电后,可以根据机器的电磁场进行移动和分类。通过这种方法,单台设备就可以在一个容器中装满水,另一个容器中装满附着在其他元素上的氧气,在其他容器中装入硅、铝或其他金属颗粒,而不是只局限于开采一种资源。


图2:将来可能部署在月球南极附近陨石坑中的烧蚀弧采矿系统渲染图

但是,就像所有早期的概念一样,“烧蚀弧采矿”技术也面临着必须克服的实际挑战。举例来说,月尘可能会卡在爬行器内进而造成问题,为此机器必须防尘。为了寻找水冰,爬行器还必须移动到缺乏光照的陨石坑中,那里含有质量约为6%的水,但极其寒冷和黑暗。

为此,爬行器的电子设备必须设计成能在那些崎岖的条件下工作,并使用非太阳能电源。此外,宇航员可能很难监督它们,尽管他们可以在陨石坑边缘监视采矿过程。NASA估计,月球上的永久居民点每年需要大约1万公斤的水,这将需要至少20辆爬行器四处游荡,逐渐收集这些补给,除非这项技术有其他补充。目前,格雷格希望在几年内能测试更小的爬行器演示版本。


图3:月球表面“烧蚀弧采矿”过程渲染图

太空采矿项目也引发了伦理问题。例如,科学家和其他人担心,在月球上采矿可能会永久改变月球在夜空中的外观。但格雷格指出,“烧蚀弧采矿”技术对环境的影响看起来不会像地球上那样大。而且矿区可能会分散开来,或使某些陨石坑更深些。至于可持续性发展问题,她说:“有足够的水供人类居住数百年。”

可扩展150倍的折叠空间站

作为月球旅游和深空探险的潜在发射点,NASA提议建立绕月球运行的空间站,名为Lunar Gateway。但卡内基梅隆大学的机器人专家扎卡里·曼彻斯特(Zachary Manchester)认为,火箭的尺寸毕竟有限,几乎没有为月球空间站发射大型结构的可能。如果你想要发射比火箭整流罩更大的东西,最多只能有几米长,必须用多枚火箭发射,并在轨道上组装,比如国际空间站。或者它必须以某种方式被压缩,然后以某种方式向外扩展。

在最新会议上,曼彻斯特和华盛顿大学机械工程师杰弗里·利普顿(Jeffrey Lipton)提出了适合被塞入狭小空间发射的空间站。到达太空后,它会自动展开,就像折纸那样,变成一个全尺寸的太空建筑,大约比折叠时的尺寸大150倍。初步设计包括由钛、铝或其他金属制成的多接头结构。

由于未来的宇航员可能会在空间站上停留很长时间,它将需要旋转来产生人造重力,以避免长期处于零重力状态对健康的有害影响。但人类对旋转很敏感,没有人总想待在旋转木马上。曼彻斯特说:“如果你试图建造一个旋转的太空栖息地,唯一不会让人感到眩晕的方法就是以每分钟两圈的速度旋转。”


图4:美国宇航局月球轨道空间站的艺术渲染图

曼彻斯特认为,要产生类似地球的重力,这样的空间站直径需要达到1000米。然而,将如此巨大的建筑塞进狭小的空间中,直到它被部署起来,这将是个重大的工程挑战。此外,为了使他们的想法成为现实,曼彻斯特和利普顿最终需要弄清楚如何使折叠空间站在展开过程不被缠住,尽管该结构有数千个接头。

利用真菌构建太空栖息地

就像为长途公路旅行打包那样,NASA在将月球或火星结构所需的一切都安装到火箭上时,也将面临类似的挑战。为了减轻负担,有些科学家建议使用火星岩石作为3D打印结构部件的材料。但NASA下属艾姆斯研究中心的天体生物学家林恩·罗斯柴尔德(Lynn Rothschild)有完全不同的想法,她希望用蘑菇制造这样的设施,或者她所说的“真菌结构”。她说:“不起眼的蘑菇可以提供令人难以置信的建筑材料。它完全是天然的,是终极的绿色建筑。”

虽然真菌可以用来培植材料,以制造宇航员可以用来建造的真正砖块和砂浆,但最好的太空栖息地在他们到达之前就会组装好。罗斯柴尔德的团队建议是发射着陆器,该着陆器将包括塑料支架和真菌菌丝体,即构成真菌根部结构的白色细丝。

支架将是由方形空心塑料单元组成的格子,层层缝合,形成最终设施的形状。在火星上,它可能会膨胀到车库大小。利用水和氧气(至少部分可能来自火星),真菌会沿着这些缝合线生长,并填满格子,最终将帐篷状的结构变成成熟的太空建筑。

罗斯柴尔德认为,有些暗色真菌甚至可以帮助增强抵御太空辐射的能力。她说:“它们看起来有点儿恶心,但这种黑色色素往往能保护真菌和栖息地里的人免受辐射的伤害。”她希望在未来几年内向国际空间站发送演示原型。

与月球不同,火星可能曾经适合生命生存。因此,罗斯柴尔德正在设计支架,以防止任何可能危及火星生命和环境的真菌逃到外面。NASA最不希望的就是,在寻找其他星球生命时,结果却发现了来自地球上的东西。在罗斯柴尔德的设计中,真菌基本上处于“双层袋装”状态,即在塑料格子里多加了防护层,以确保它们都留在里面。

为了解决这些问题,太空机构请来了行星保护专家,比如NASA下属喷气推进实验室生物技术和行星保护小组主管穆格加·库珀(Moogega Cooper),他在NIAC会议上发言称:“在任何你可能与液态水互动的地方,你的探索肯定会引起我们的注意。毕竟哪里有水,哪里就可能有生命。”美国是《外层空间条约》的最初签署国之一,该条约要求每个想要向外星世界发射任务的太空机构或公司,都必须确保航天器和飞船上的所有设备经过消毒。

虽然NIAC项目每年的预算只有850万美元,但它支持了许多探索性项目。在本次会议上提出的某些想法可能会进入下一阶段,或者可能会被其他机构或私营公司采纳,比如早先的一项提议,即用激光将智能手机大小的航天器推向另一个恒星系统,这激发了私营企业Breakthrough Starshot的灵感。库珀说:“所有这些概念都在推动我们的理解,它们真的能让我们把科幻小说中的场景变成现实。”(小小)

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