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今天是一个开心的日子,从第一篇《行星际探索》开始,历时两个月,在同学们的共同努力下,国家天文的老师给予了正式的回复,接受了我们的投稿(准确的说是约稿被采纳,即将正式出刊了),下面是我们的投稿内容,正式刊发的内容,会根据采用当期进行调整。同学们的心血可以正式发布了,以后的约稿和投稿,均可以首先发布在《行星际探索》频道内,这样才是 SIGer 正确的学习之道,投稿只是一个结果,我们更重视的是学习的过程,以及全程分享。
随着科技的发展,特别是航天技术的突飞猛进与日臻成熟,地球引力已经无法阻止人类前进的脚步,带着人类与生俱来的好奇心和对星辰大海的向往,深空探索的新篇章已经拉开序幕。自人类首次登月已经过去 50 年,而今,人类重返月球更具现实意义。科学探索和科研需求,经济利益和资源开发都成为了驱动力,激励具有探索精神的下一代或许才是深空探索的真正意义。
随着航天的话题层出不穷,各种热词纷至沓来,如月壤、可加工的挥发物和矿物质、月球地质结构熔岩管、南极水冰等。人们展开无尽想象畅谈航天远景的同时,也应重新回到我们的视角,聚焦月球资源开发和原位利用,这才是当下最现实的。
和序言描述的人类好奇心比起来,机器人虽然可以替代相当一部分人类工作,但开发月球资源依然无法离开人类,人类宇航员和机器人宇航员协作将是未来太空探索的最佳组合,开发月球也不例外。随着深空探索的距离越来越遥远,人类无法远程控制处理突发事件,这是人类宇航员最无可替代的核心了。
人类登月的努力始于 1969 年阿波罗计划,共进行了六次载人登月任务。为证明人类的存在,在月球表面竖立了一面旗帜,但人类也为之付出了巨大的代价。更何况在月球上工作生活将面临着更多挑战。更多的物资需要保障,也需要更大的运力才能离开地球。在低重力环境下生活会改变血液流动并影响眼睛、骨骼和肌肉。面对极端温度和有毒辐射的侵害,需要研发全新的太空服来保护宇航员,让他们能相对自如地工作。种植食物和成本是在月生活中所面临的更长周期的挑战。对于大多数人来说,在狭小的空间中生活也是一种心理挑战。
解决这些挑战主要集中在以下方面的技术:
作为一个系统工程,没有一个问题是独立存在的航天工业也正在利用更多的新兴技术,包括先进的卫星系统,3D 打印,人工智能,大数据和量子计算等来升级和扩展太空操作。
以 NASA 的阿尔忒弥斯一号的猎户座飞船为例来说明载人登月的挑战,目前它已经实现绕月飞行,并成功返回。当为人类建造的航天器冒险进入深空时,它需要一系列功能来保证它和机组人员的安全。距离和持续时间都要求航天器必须具有能够在远离家乡的地方可靠运行的系统,能够在紧急情况下保持宇航员的生命,并且仍然足够轻,火箭可以发射它。
猎户座将越过月球,距离比国际空间站在低地球轨道上飞行的距离远 1 倍以上,比为人类建造的任何航天器都要远。为了完成这一壮举,猎户座拥有内置技术,使宇航员和航天器能够探索太阳系深处。
生活和呼吸系统
适当的推进
为了绕月飞行并返回其探索任务,猎户座配备了 33 台不同尺寸的发动机。另外它还配备有可以容纳近 2,000 加仑推进剂的油箱和发生故障时主机的备份,猎户座的服务模块配备了处理远距离和长途任务的严酷旅行,并能够在各种紧急情况下将机组人员带回家。
保持热量的能力
登月不是一件容易的事,它只是旅程的一半。航天器在太空中行驶得越远,返回地球时产生的热量就越多。安全返回需要能够帮助航天器承受 30 倍音速和两倍于熔岩或太阳一半的热度的技术。其先进的隔热罩由一种称为 AVCOAT 的材料制成,旨在在加热时磨损。
辐射防护
Orion 配备了四台相同的计算机,每台计算机都是自检的,再加上一台完全不同的备份计算机,以确保 Orion 在发生中断时仍然可以发送命令。工程师已经按照高标准测试了零件和系统,以确保所有关键系统即使在极端情况下也能正常运行。
猎户座在船员舱主甲板下方还有一个临时风暴避难所。如果发生太阳辐射事件,美国宇航局已经为船上的宇航员制定了计划,使用船上的材料在内部建立一个临时避难所。航天器上还将安装各种辐射传感器,以帮助科学家更好地了解远离地球的辐射环境。一项名为AstroRad 的调查将在 Artemis I 上飞行,并测试一种实验背心,该背心有可能帮助保护重要器官并减少太阳粒子事件的暴露。
持续的沟通和导航
远离家乡的航天器超越了太空中的全球定位系统(GPS)和地球轨道上的通信卫星。为了与休斯顿的任务控制中心交谈,猎户座将使用 NASA 的所有提供的三个太空通信网络。当它从发射台升起并进入顺月空间时,猎户座将从近地网络切换到太空网络,这可以通过跟踪和数据中继卫星实现,最后切换到为 NASA 一些最遥远的航天器提供通信的深空网络。
猎户座还配备了备用通信和导航系统,以帮助航天器与地面保持联系,并在主要系统发生故障时自行定位。备用导航系统是一种相对较新的技术,称为“光学导航”,它使用相机拍摄地球,月球和恒星的照片,并从照片中自动三角测量猎户座的位置。其备用应急通信系统不使用主系统或天线进行高速数据传输。
月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物。几乎 99%的月球物质是由七种元组成,即 O、Si、Mg、Fe、Cu、Al 和 Ti。玄武岩含 TiO$_2$ 的范围为 0.5~13%。月海玄武岩的铁和钛主要赋存于钛铁矿中,玄武岩中钛铁矿占到 10~12%,绝大部分高钛月海玄武岩含钛铁矿大于 15%。阿波罗 12 号登月探测器采集的月海玄武岩中钛铁矿的成分特征,其中钛和铁含量极高。钛铁矿不仅是铁、钛和氧的主要资源,而且钛铁矿与氢的反应所产生的水(TeTiO$_3$ + H$_2$ → Fe + TiO$_2$ + H$_2$O)将是未来月球获取水的重要途径之一。月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题,已成为新一轮全球范围太空开发竞争的焦点。
据专家估计,发展高科技所需的矿物储量正在地球上枯竭。尤其是有色金属和稀土金属——镍、钴、铂和金,所有现代技术都基于这些金属,地球储量充其量还能维持四十年。这意味着,在不远的将来,技术的发展可能因为没有原料而停止。
目前,美国宇航局对月球探索开发的兴趣并不是很大。随着美国宇航局加大太阳系的探索力度,关于月球探索的观点分歧将逐渐平息。月球采矿支持者最担心的是上世纪 70 年代登月计划重演,他们认为:如果我们通过外星球工业支持地球经济发展,那么我们就可以创造一个太空经济环境,使未来火星任务的成本大幅降低,变得切实可行。同时,如果太空技术发展太快,跳过地月太空工业建设,那么未来的火星任务也将基础不牢,以另一个阿波罗时代的方式告终。
中国早已启动自己的登月计划。中国的探测器已经在月球背面着陆,探索其他国家都无法抵达的区域。中科院上海技术物理研究所王建宇院士对第一财经网记者表示:“嫦娥五号在未来发射后的几年内就将返回地面,将实现人类探测器首次登陆月球并返回地球的壮举。”
中国也拥有自己的月球采样技术。中国的月球采样计划表明,新时代的登月计划不同于50 年前。“与 50 年前仅在月球上竖立国旗相比,中国对于利用月球上的资源更感兴趣。”一位业内人士告诉第一财经网记者,“浸没在月球两极的水不仅可以帮助人类维持生命,还能将太空船推向宇宙;同时地球上的稀有元素,比如氦-3,可以从月球运回产生几乎无限的能量。”
最近的发现证实了月球表面和地下的水冰的存在,特别是在月球极地的永久阴影区域。这些发现对于月球探索和人类居住的未来具有重要意义,因为水是维持生命和支持太空任务的关键资源。在月球上发现水具有重要意义,可以推动未来太空探索和利用。本文概述了与月球水有关的过去发现,探讨了检测月球水的方法,并讨论了月球水探索和利用的潜在未来。
在月球上发现水可以实现长期人类居住,并通过减少从地球运输水来降低太空任务成本。然而,在开发提取和利用月球水资源技术以及确保可持续使用这些资源而不损害月球环境方面仍然存在重大挑战。
月球是一个重要的天体,因为它具有太空探索和研究宇宙的潜力。近年来,月球也被认为是稀土元素(REE)的潜在来源。稀土元素是一 组 17 种元素,对于许多高科技产品至关重要,包括智能手机、电动汽车、风力涡轮机和国防技术。目前,中国主导全球稀土元素市场,控制着全球 80%以上的供应。此外,最近的研究表明,月球可能是稀土元素的潜在来源。根据欧洲航天局 2017 年的一份报告,月球表面的月 壤(松散土壤和岩石层)含有大量的稀土元素,特别是铕、铽和钇。这些元素对于生产用于电动汽车、风力涡轮机和其他技术的稀土永磁体至关重要。
从月球提取 REEs 将需要先进的采矿技术和巨额投资。然而,潜在的回报可能是巨大的。除了经济利益外,使用从月球获取的 REEs 还可以减少对中国的依赖,后者已被证明使用其REE 供应作为政治武器。
月球上有一种叫做氦-3 的同位素,它是一种在地球上没有大量发现的罕见同位素。月球富含氦-3,估计可能有多达 100 万吨的氦-3 在月球 表面。氦-3 可以用作核聚变的燃料,核聚变是一种将两个原子核融合成一个较重的原子核的过程,同时释放大量的能量。与产生放射性废物的核裂变不同,核聚变是一种清洁高效的能源来源。然而,核聚变需要燃料来源,而氦-3 是一个理想的选择。它是一种清洁、高效、无放射性的燃料来源,可以为我们提供几乎无限的能量。如果我们可以利用月球上的氦-3 的 1%,我们就可以为全球提供足够的能源,供一年使用。当然,在月球上采矿氦-3 的想法仍处于起步阶段。在成为可行选择之 前,需要克服众多技术和后勤挑战。然而,随着我们的能源需求不断增长和地球资源变得更加稀缺,氦-3 和月球探索的未来看起来是光明的。
月球作为地球唯一的天然卫星,存在着丰富的资源。它是人类开展深空探测的首选目标,也是人类进行外层空间探测的理想基站。月球表面矿产资源原位利用技术(ISRU)一直是研究的热点。其目的在于清洁、高效地提取月球表面的矿产资源,满足月球基地建设和深空探测的需求。由于月表环境特殊,传统的提取工艺不能够满足需求,因此要提出与其适用的方法。
本论文从冶金学科角度阐述了 ISRU 的现状,并介绍了月表的环境特点、月壤组成以及能源种类。此外,还叙述了月表所含矿产资源的种类、赋存状态以及各类金属元素的质量分数以及存在的地理位置。系统归纳了现阶段 ISRU 提取金属的工艺,并分析了各工艺的特点,着重阐述了还原法、电解法、热解法以及其他方法的工艺及原理。在对各原位利用技术从工艺、实施角度等方面进行了总结与评估后,指出月表矿产资源的提取必须遵循原位提取的原则,载荷和环境等条件制约着现有工艺的施行。
月壤主要氧化物组成包括 CaO、MgO、Al$_2$O$_3$、TiO$_2$、SiO$_2$ 和 FeO,其储量可以满足需要。同时,针对不同资源的提取应采取不同的措施,如用 H 还原实现 Fe 的提取,使用电解法提取Al、Si 和 Ti,使用热分解法提取 O 等。此外,文章还基于 ISRU 的共性与发展趋势指出月表矿产资源的开发需要在发展新工艺的同时,以现有工艺连续化操作、清洁循环利用资源、设备小体积、轻量化以及电、光能化作为未来研究的主要方向。
ISRU:指在实际应用场景中,利用当地现有的资源进行工作或活动。这种方式可以减少对稀缺资源的依赖,降低运输成本和风险,并且可以更好地适应当地的环境和条件。ISRU是一种基于“就地取材”思想的资源利用方式,与传统的远距离、高成本的资源运输方式相比,具有更加灵活、经济和环保的特点。随着人类对太空探索和开发的不断深入,ISRU 将会成为未来空间探索和资源利用的重要方向之一。
当 NASA(美国国家航空航天局)回到月球上的阿波罗计划时,我们计划建立可持续性基础设施,使我们能够比以往更深入地探索月球。宇航员将留在月球表面和月球轨道上较长的时间。我们需要更好地了解月球上现有的资源,以支持探索活动。此外,我们需要了解与处理这些资源相关所需的新技术。在月球上展示这一点将帮助我们为前往更遥远的太阳系行星,包括火星,做好准备。
人类在深空中生活和工作可能会面临更少直接获取地球上供给的生命维持元素和重要供应品的问题。为了支持在月球表面及周围进行探索,NASA 将向基础舱发送货物、实验和其他供应品,这些供应品需要由月球本地材料制造。这种做法被称为就地资源利用(ISRU)。
NASA 的 Lunar Surface Innovation Initiative 将开发和展示利用月球资源生产水、燃料和其他供应品以及挖掘和建造结构在月球上的能力的技术。
使用太阳能为 ISRU 技术中最常见的形式,并且已经在许多航天器上被采用了几十年。例如,空间站装备有大型的太阳能电池板来吸收太阳能并为站内设施和维护运行提供动力,自 2000 年 11 月以来一直如此。基地门的电力和推进系统元件也将使用太阳能电池板提供动力。
未来太空探索和航天技术的发展可能会对资源利用方式产生重大影响。由于太空探索和航天技术需要进行长距离的飞行,并且随着宇航员在太空中变得更加独立,因此持续的太空探索和行动需要有一些实际而经济的解决方案。未来的宇航员将需要掌握从外太空收集、处理和转换资源的能力,以便在地球上长时间旅行。当可用的资源可以创造出新的物品时,探索任务的能力和价值将会大大增加。
每个载人或无人驾驶的航天器都可能遇到广泛的潜在资源。随着 NASA 不断深入了解空间中的资源和技术,宇航员可以将最新的知识、设计和技能纳入其不断演变的任务概念和探索计划中,从而提高效率并实现可持续性。
某些最具有前途的空间基础物品可以使人类空间探索的质量、成本和风险大大降低,其中包括氧气、水、甲烷等。这些产品对于维持宇航员的生命和推进空间运载火箭和发电系统都至关重要。它们可能来自于诸如碳含量丰富的火星大气层和月球、火星以及陨石土壤等空间资源。虽然目前尚未完全了解水和其他易挥发物质的特性,但工作仍在继续研究它们的可获得性。NASA 优先考虑推进 ISRU,因此,科学家们正在探索有关目的地的易挥发物质矿藏,以确定资源潜力并设计适当的开采和利用设备。
月球资源是地球资源的重要补充,对人类社会的可持续发展具有深远影响,是国家利益新的战略制高点。我国探月工程从 2004 年正式实施以来,实现了“五战五捷”,得到了国际社会的高度关注,尤其是嫦娥四号扩大了中国探月的国际合作,提升了工程的国际影响力。2019 年11 月,嫦娥四号任务团队获英国皇家航空学会 2019 年度团队金奖,成为该年度全球唯一获此殊荣的团队,这也是英国皇家航空学会成立 153 年来首次向中国项目颁发的奖项。
图1 我国月球探测情况(a)我国探月工程 “绕、落、回” 三步走(b)我国月球探测未来发展特点
1958 年苏联发射了首个月球探测器,拉开了人类月球探测的序幕。截至目前,国际月球探测活动共实施 126 次,期间出现两个探月高潮:20 世纪 50~70 年代,美苏两个航天大国之间的竞争引起第一轮探月高潮;20 世纪末至今,各航天国家意识到月球探测的战略意义,纷纷提出月球探测计划并积极实施,掀起第二轮探月热潮。
在新一轮探月热潮中,除已实施过月球探测任务的美国、俄罗斯(苏联)外,欧洲空间局(简称欧空局 ESA)、日本、印度、以色列等国家和组织先后加入月球探测的行列,英国、韩国等也跃跃欲试。2018 年以来多个国家和组织纷纷更新月球探测计划,月球正成为各国太空战略新的聚集点。
2018 年 1 月,国际空间探索协调组(ISECG)发布了第三版全球空间探索路线图,呈现出“近地轨道-地月空间-火星”的深空探测发展态势。月球探测作为深空探测的前沿,正成为主要深空探测国家的首要探测目标,美国、俄罗斯、欧空局、日本等国家和组织 2025 年前将实施月球探测任务,并把在月面建立大型科研设施、开展长期月球探测作为远期目标。
图1 第三版全球探索路线
俄罗斯在《2016~2025 联邦航天计划》中提出,将月球探测列为优先发展方向之一,计划实施一系列月球探测任务,将在 2025 年前实施 Luna-25 月球南极着陆任务、Luna-26 绕月探测任务、Luna-27 月球南极着陆巡视等任务。2019 年 2 月公布《月球综合探索与开发计划草案》,提出在 2036~2040 年建设月球基地。
欧空局在 21 世纪初实施了一次小型绕月探测任务。2016 年沃尔纳就任欧空局局长时发出全球建设“月球村”的倡议,号召有能力的国家共同参与,试验新技术、实现新发现、共享新成果。在月球上建设进行科研、采矿、太空旅游等活动的永久基地。2019 年 7 月欧空局提出了以科学和开发利用为双轮驱动的探月新规划,包括 2023 年月球南极原位资源探测任务、月球通信星座规划等。2019 年 12 月欧空局部长级理事会同意在未来 3 年向欧空局提供 125 亿欧元资助,月球探测是其新的增长点。
日本宇航研究开发机构(JAXA)先后开展了“飞天”号月球探测、月亮女神计划,新规划了“月球探索智能着陆器”计划(SLIM)、水冰勘查等无人探测任务,并在 2018 年发布《第四期中长期发展规划》(2018~2025 年),修订了 SLIM 发展规划。
印度在 2008 年成功发射月船一号,2019 年月船二号软着陆失败,但轨道器成功绕月探测。随后,印度加紧研制月船三号再次着陆任务,并与日本达成未来探月的合作意向。
进入新世纪,月球在人类开发利用太空和进军深空中的地位日益凸显,正成为航天大国战略角逐的制高点,国际月球探测呈现以下趋势:
从 2016 年起,我国在与国外航天机构会谈时即开始宣介月球科研站,倡议共建国际月球科研站(International Lunar Research Station,简称 ILRS)。国际月球科研站是指由多国参与,按照“共商共建共享”的原则,在月面建设和运营的科学实验实施。支持开展长期、较大规模的研究,包括月球轨道与月面探测、天文与对地观测、基础科学实验、资源开发利用和技术验证等,如图 3 所示。未来国际月球科研站的基本能力体系如图 4 所示。
图3 国际月球科研站概念图
图4 国际月球科研站能力体系
这里的未来是一个双关,它代表的是时间轴的未来,也代表未来的主人——我们的孩子们。如开篇所讲的 激发具有探索精神的下一代才是深空探索的真正意义。
By teaming up to develop the "On the Moon" guide, NASA and "Design Squad" are helping teachers bring hands-on engineering and the adventure of space exploration to life for kids. This guide offers six hands-on challenges that aim to bring engineering and NASA's moon missions to life for kids in schools and afterschool programs.
美国国家航天局在 2004 重返月球计划发布后,同步展开了一个教育计划,与最受欢迎的教育课程设计机构合作,制作了一个 6 集挑战节目,在全美播出,同时开放所有资源接受K12 学段的全美校园学生申请学习,同时提供课后支持。整个项目的目标锁定在人才储备,这也是标准的 STEM 教育的核心目标。
在机遇号火星车 15 年回顾中,有一位目睹现场发射的少年最终成为运营团队的一员,接受了最后一批回传数据,并在半年后宣布退役时,颜面哭泣。
太空挖矿机,它是由超声波传感器检测前方是否有障碍物,如前方有障碍物的话,磁面传感器就会检测前方障碍物是否为矿石,如前方障碍物为矿石,升降舵机改变角度,将升降平台放下。接着,反复改变角度进行挖矿动作,完成挖矿动作后,升降舵机再次改变角度,将升降平台抬起,小车会自动后退,稍稍改变方向,继续向前开采矿物。
随着小默的话语和指示,小车遇到普通障碍物时,先后退改变方向并继续向前勘探。当小车遇到的障碍物为矿石时,落下升降平台挖掘机开始工作。工作完成后,小车自动后退并改变方向,继续向前勘探。
仿佛我已经穿越到那个未来,目睹了小默号太空挖矿车正在有条不紊的作业。不同的是,车身被替代了防护力更强、更坚固的合金材料。而它具备自愈能力(所有零备件均来自月壤提炼出的合金,熔融态 3D 打印而成),巧妙的磁面传感器方案替代为多光谱自动选矿机。全自主的找采炼一体能力,为“月球原位资源利用自由”奠定了技术基础。
我们的未来是星辰大海,不只是你我仰望星空,我们还要和我们的孩子们一起仰望星空,并尽可能的托举他们成为未来星海中的那颗明星。他们才是我们的未来,才是我们的希望,这才是科普的意义。无论是月壤炼金还是更深远的行星探索,亦或太空旅游,皆属于他们。
(SIGer 青少年开源文化期刊: @yuandj @明启 @景小默 @ sana 共同编辑)2023.4.15
Top Five Technologies Needed for a Spacecraft to Survive Deep Space
| Apr 23 2020 | Mark Garcia
MIT Technologyreview: 太空的下一步是什么? 乔纳森·奥卡拉汉 | 22 月 2022
Water on the Moon: Past Discoveries and Future Exploration
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2021.693891/full
The Potential of Rare Earth Elements on the Moon
https://www.space.com/38725-rare-earth-elements-moon-mining-exploration.html
The Potential of Helium-3 on the Moon https://www.space.com/19280-helium-3.html
李琛,魏奎先,李阳等.月球表面矿产资源原位利用研究进展[J].中南大学学报
(自然科学版), 2020,51(12)
https://www.nasa.gov/isru/overview
Overview: In-Situ Resource Utilization; NASA official website
裴照宇,刘继忠,王倩等.月球探测进展与国际月球科研站[J].科学通报,
2020,65(24):2577-2586
ON THE MOON - ENGINEERING CHALLENGES FOR SCHOOL AND AFTERSCHOOL
PROGRAMS NASA 2009.2.5
太空挖矿车:SIGer 青少年开源文化期刊 《行星际探索》学习小组 @景小默 2023.3.28
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