人類即將重返月球，而這一次，我們可能會(huì)建立長(zhǎng)期的月球基地。然而，在長(zhǎng)期的太空任務(wù)中，宇航員們的生活和工作都需要必要的基礎(chǔ)設(shè)施，他們還需要展開(kāi)實(shí)地探索活動(dòng)，與地球保持聯(lián)系，同時(shí)生產(chǎn)對(duì)生存至關(guān)重要的氧氣和水。從地球上攜帶所有這些基礎(chǔ)設(shè)施需要付出極為昂貴的代價(jià)，因此，更合理的方案是就地獲取材料并進(jìn)行建造。為了探索這種可能性，歐洲空間局（ESA）的“探索與準(zhǔn)備”（Discovery & Preparation）計(jì)劃已經(jīng)為多個(gè)研究項(xiàng)目提供了支持。
使用其他天體上的材料建造基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)施的解決方案被稱為“就地資源利用”（ISRU）。以往在這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)探索并展示了ISRU的基本概念，主要結(jié)合了勘探現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的資源與從地球帶來(lái)的材料。
想要建立一個(gè)能夠保護(hù)宇航員免受惡劣環(huán)境——包括稀薄或不存在的大氣、極端溫度、強(qiáng)輻射甚至微流星體等——影響的地外家園，ISRU就是必需的。通過(guò)利用就地資源，我們將能夠在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的發(fā)射和著陸平臺(tái)。ISRU也可以用來(lái)生產(chǎn)能夠產(chǎn)生并儲(chǔ)存能量的發(fā)電設(shè)備，以及用于通信的天線塔。此外，ISRU還可以生產(chǎn)大量的水和氧氣，用于維持宇航員的生命，并制造出可供外星探索和最終返回地球的推進(jìn)劑。
通過(guò)對(duì)前往月球的運(yùn)輸服務(wù)進(jìn)行測(cè)試，歐空局希望推動(dòng)技術(shù)的極限，并創(chuàng)造新的太空商業(yè)模式。
1999年，第一個(gè)與ISRU相關(guān)的“探索與準(zhǔn)備”研究項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注了推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)，并評(píng)估了本世紀(jì)對(duì)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的需求。這項(xiàng)研究的結(jié)論是，ISRU可以降低火星任務(wù)的成本，同時(shí)提高推進(jìn)性能，但I(xiàn)SRU技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)該馬上開(kāi)始。
因此，在歐空局其他所有項(xiàng)目的配合下，ISRU的相關(guān)研究繼續(xù)進(jìn)行。2000年完成的一項(xiàng)研究側(cè)重于未來(lái)太空探索所需的動(dòng)力系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)一座ISRU化工廠，以生產(chǎn)推進(jìn)劑和生命維持所需的化學(xué)品，以及外星表面活動(dòng)所需的燃料。
同時(shí)進(jìn)行的其他研究則更廣泛地關(guān)注長(zhǎng)期的太空探索，其中一項(xiàng)研究考慮了火星探索需要什么樣的架構(gòu)和技術(shù)。該研究探索了利用火星大氣和土壤來(lái)生產(chǎn)推進(jìn)劑和宇航員生存所需液體——包括氮、氧、氫和水——的可能性。另一項(xiàng)研究關(guān)注的是人類在長(zhǎng)期星際和行星環(huán)境中的生存能力和適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)ISRU在生產(chǎn)推進(jìn)劑和生命維持消耗品方面可能有著重要的作用。
13年時(shí)間很快過(guò)去，隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)能夠探索更加具體的ISRU概念，包括一個(gè)從火星大氣中收集、儲(chǔ)存二氧化碳并將其輸送到推進(jìn)器的系統(tǒng)。這項(xiàng)由空中客車公司進(jìn)行的研究提出了從二氧化碳中去除灰塵和水的方法，以及如何將二氧化碳液化儲(chǔ)存。
在過(guò)去的幾年里，“探索與準(zhǔn)備”計(jì)劃還支持了諸多研究，比如利用月球土壤建造基礎(chǔ)設(shè)施，以及更具體的能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存方法；最近的一項(xiàng)研究探索了如何利用月壤儲(chǔ)存熱量，并為宇航員、漫游車和著陸器提供電力。
地球重力場(chǎng)和海洋環(huán)流探測(cè)衛(wèi)星（GOCE）的離子推進(jìn)裝置特寫(xiě)。
一項(xiàng)研究探索了月球模擬設(shè)施如何支持ISRU技術(shù)的發(fā)展，包括對(duì)就地材料的挖掘和加工方法進(jìn)行測(cè)試，以及如何利用3D打印等工藝將這些材料用于建造結(jié)構(gòu)。
另一項(xiàng)研究證實(shí)了月壤作為建筑材料的可行性。研究人員選擇了一種利用月壤打印結(jié)構(gòu)的合適工藝，甚至設(shè)計(jì)了一個(gè)可打印的居住地。還有一項(xiàng)研究最近更進(jìn)一步，探索了如何利用月球風(fēng)化層進(jìn)行3D打印，甚至確定了效果最好的打印工藝。
作為現(xiàn)有3D打印技術(shù)的替代方案，2019年的一項(xiàng)研究試圖將月壤轉(zhuǎn)化為纖維，用于建造堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。研究人員制作了一份材料樣本，證明用這種方法制造局部不透水的結(jié)構(gòu)是可能的。
最近，“探索與準(zhǔn)備”計(jì)劃資助的一組研究探索并定義了歐空局的月球IRSU示范任務(wù)，該任務(wù)的目標(biāo)是到2025年時(shí)，證明在月球上生產(chǎn)水或氧氣是可能的。這些研究探索了實(shí)際能生產(chǎn)水和氧氣的系統(tǒng)，提出了一個(gè)使用“碳熱反應(yīng)堆”從土壤中提取氧氣并用其來(lái)生產(chǎn)水的方案。另外兩項(xiàng)研究分別探索了該系統(tǒng)如何依靠著陸器作為電源，以及它如何與地球通信。
為了實(shí)施月球ISRU示范任務(wù)，歐空局打算從商業(yè)機(jī)構(gòu)采購(gòu)任務(wù)賦能服務(wù)，包括有效載荷交付、通信和操作服務(wù)等。在這一過(guò)程中，歐空局將利用并進(jìn)一步培育現(xiàn)有的商業(yè)方案，這些方案可能在未來(lái)的月球探索場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。
歐空局目前還在進(jìn)行“PROSPECT”任務(wù)，該任務(wù)將探訪并評(píng)估月球上的潛在資源，為未來(lái)可能用于開(kāi)采這些資源的技術(shù)做準(zhǔn)備。PROSPECT將在月球南極附近的月表下進(jìn)行鉆探，提取可能含有水冰和其他可能在極低溫度下凍結(jié)的化學(xué)物質(zhì)的樣本。然后，鉆頭將把樣本送到一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在那里對(duì)樣本進(jìn)行加熱，以提取化學(xué)物質(zhì)。這次任務(wù)將作為俄羅斯領(lǐng)導(dǎo)的“月球-27”（Luna-27）任務(wù)的一部分，并將測(cè)試未來(lái)可能應(yīng)用于地外資源開(kāi)采的過(guò)程。
用3D打印機(jī)將就地材料建造成未來(lái)的月球基地將會(huì)變得更加簡(jiǎn)單。包括著名的福斯特建筑事務(wù)所在內(nèi)的工業(yè)界伙伴正與歐空局一道，測(cè)試?yán)迷氯肋M(jìn)行3D打印的可行性。
2019年5月，歐空局發(fā)布了“空間資源戰(zhàn)略”（Space Resources Strategy），以支持到2040年利用就地資源維持人類在月球上存在的雄心。該戰(zhàn)略著眼于人類需要發(fā)現(xiàn)和發(fā)展什么樣的技術(shù)，以支持可持續(xù)的太空探索。該戰(zhàn)略涵蓋的時(shí)間范圍到2030年，屆時(shí)月球資源的潛力將通過(guò)在月球上的測(cè)量得到確定，關(guān)鍵的技術(shù)也將被開(kāi)發(fā)和展示出來(lái)，并將確定將其納入國(guó)際任務(wù)架構(gòu)的計(jì)劃。該戰(zhàn)略公布后，歐空局主辦了一個(gè)研討會(huì)，以確定實(shí)現(xiàn)空間資源利用所需的下一步計(jì)劃。
2020年，歐洲航天局建立了一個(gè)原型工廠，從模擬的月球塵埃中生產(chǎn)氧氣。從月壤中去除氧氣會(huì)留下各種金屬，因此該研究的另一個(gè)方向就是從這些材料中生產(chǎn)出最有利用價(jià)值的合金，并探索它們?cè)谠虑蛏系挠猛尽Ｗ罱K目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在月球上持續(xù)運(yùn)行的“試點(diǎn)工廠”，第一個(gè)技術(shù)示范計(jì)劃在本世紀(jì)20年代中期進(jìn)行。
美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的月球勘測(cè)軌道飛行器已經(jīng)探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。從該軌道器釋放的月球坑觀測(cè)和傳感衛(wèi)星（LCROSS）在2009年10月9日撞擊月球，產(chǎn)生了16千米高的塵埃羽流?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)觀察和分析后，確定了月球表面的化學(xué)成分，表明水的確存在于月球上。
NASA還在開(kāi)發(fā)多項(xiàng)將造訪月球的立方衛(wèi)星軌道任務(wù)，如“月球手電筒”（Lunar Flashlight）、“月球地圖”（LunaH-MAP）和“月球冰立方”（Lunar IceCube）等，這些任務(wù)將致力于發(fā)現(xiàn)月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。
材料和電氣部件實(shí)驗(yàn)室里，研究人員正利用模擬的月球塵埃生產(chǎn)氧氣和金屬。
NASA的第一個(gè)火星著陸器“海盜號(hào)”發(fā)回了有關(guān)火星大氣的重要數(shù)據(jù)，揭示了火星大氣中95.9%的成分為二氧化碳?；谶@一發(fā)現(xiàn)和后續(xù)探測(cè)任務(wù)傳回的信息，NASA已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了將火星大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的技術(shù)，這將有利于人類前往火星的任務(wù)。最近，NASA選擇了火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)（MOXIE）作為“毅力”號(hào)火星探測(cè)車搭載的7個(gè)科學(xué)儀器之一。
揮發(fā)物是一種容易蒸發(fā)的物質(zhì)，有可能成為月球上的水源。NASA正在與其他空間機(jī)構(gòu)一道，協(xié)調(diào)對(duì)月球極地?fù)]發(fā)物探測(cè)的國(guó)際合作，以確定揮發(fā)物作為潛在資源的可行性，并試圖將月球作為火星ISRU技術(shù)的試驗(yàn)場(chǎng)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）毅力號(hào)火星探測(cè)器的想象圖。
中國(guó)國(guó)家航天局未來(lái)的任務(wù)也有望將月球極地?fù)]發(fā)物作為潛在資源。在中國(guó)的國(guó)際月球研究站設(shè)想中，預(yù)計(jì)將在本世紀(jì)20年代末到30年代初建成一個(gè)用于科學(xué)研究的自動(dòng)化設(shè)施，可能為利用月球資源提供先機(jī)。
俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos）正在與歐空局合作進(jìn)行三次“月球”系列任務(wù)，其中就包括“月球-27”任務(wù)，它將承載歐空局PROSPECT項(xiàng)目的一攬子計(jì)劃。該任務(wù)將在月球極地地區(qū)進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)關(guān)注那里可能發(fā)現(xiàn)的低溫?fù)]發(fā)性物質(zhì)。
目前，研究者已經(jīng)提出了許多想法，為定居點(diǎn)、移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施（如道路和著陸平臺(tái)）、輔助基礎(chǔ)設(shè)施（如通信、能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存）和硬件（如工具、室內(nèi)設(shè)備、機(jī)械和衣物）的建設(shè)提供了支持。
這些想法中，包括了融化和3D打印月壤、用月壤制造太陽(yáng)能電池，以及優(yōu)化能量?jī)?chǔ)存的新方法。此外，也有研究者在尋找不需要月壤就能利用有機(jī)垃圾種植植物，利用月壤建造有利于作物生長(zhǎng)的溫室，以及利用太空垃圾建造基礎(chǔ)設(shè)施的方法。目前，歐空局正在以多種形式為這些想法提供資助，希望早日能將它們變成現(xiàn)實(shí)。
提交給歐空局開(kāi)放空間創(chuàng)新平臺(tái)（OSIP）的一個(gè)想法提出，軌道碎片可以用于在月球上就地生產(chǎn)資源。
隨著我們對(duì)月球和小行星的認(rèn)識(shí)和了解逐漸提高，國(guó)際和私營(yíng)機(jī)構(gòu)更多地參與空間技術(shù)，以及新技術(shù)的出現(xiàn)，利用空間資源進(jìn)行外星探索的可能性已觸手可及。
當(dāng)然，開(kāi)發(fā)利用就地資源支持未來(lái)宇航員的技術(shù)和方法仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但在克服這項(xiàng)挑戰(zhàn)的過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)需求和管理有限資源的新方法也會(huì)刺激地球上的創(chuàng)新。這或許將幫助我們找到應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)的新方法，并為地球工業(yè)帶來(lái)中長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
關(guān)鍵詞： 基礎(chǔ)設(shè)施 火星大氣 二氧化碳
