人類即將重返月球，而這一次，我們可能會建立長期的月球基地。然而，在長期的太空任務(wù)中，宇航員們的生活和工作都需要必要的基礎(chǔ)設(shè)施，他們還需要展開實地探索活動，與地球保持聯(lián)系，同時生產(chǎn)對生存至關(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，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）計劃已經(jīng)為多個研究項目提供了支持。

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)場發(fā)現(xiàn)的資源與從地球帶來的材料。

想要建立一個能夠保護(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。ISRU也可以用來生產(chǎn)能夠產(chǎn)生并儲存能量的發(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。

“探索與準(zhǔn)備”項目

通過對前往月球的運輸服務(wù)進(jìn)行測試，歐空局希望推動技術(shù)的極限，并創(chuàng)造新的太空商業(yè)模式。

1999年，第一個與ISRU相關(guān)的“探索與準(zhǔn)備”研究項目重點關(guān)注了推進(jìn)和動力系統(tǒng)，并評估了本世紀(jì)對先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的需求。這項研究的結(jié)論是，ISRU可以降低火星任務(wù)的成本，同時提高推進(jìn)性能，但I(xiàn)SRU技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)該馬上開始。

因此，在歐空局其他所有項目的配合下，ISRU的相關(guān)研究繼續(xù)進(jìn)行。2000年完成的一項研究側(cè)重于未來太空探索所需的動力系統(tǒng)，包括設(shè)計一座ISRU化工廠，以生產(chǎn)推進(jìn)劑和生命維持所需的化學(xué)品，以及外星表面活動所需的燃料。

同時進(jìn)行的其他研究則更廣泛地關(guān)注長期的太空探索，其中一項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。另一項研究關(guān)注的是人類在長期星際和行星環(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年時間很快過去，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，包括一個從火星大氣中收集、儲存二氧化碳并將其輸送到推進(jìn)器的系統(tǒng)。這項由空中客車公司進(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存。

在過去的幾年里，“探索與準(zhǔn)備”計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)和儲存方法；最近的一項研究探索了如何利用月壤儲存熱量，并為宇航員、漫游車和著陸器提供電力。

地球重力場和海洋環(huán)流探測衛(wèi)星（GOCE）的離子推進(jìn)裝置特寫。

一項研究探索了月球模擬設(shè)施如何支持ISRU技術(shù)的發(fā)展，包括對就地材料的挖掘和加工方法進(jìn)行測試，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)。

另一項研究證實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)計了一個可打印的居住地。還有一項研究最近更進(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年的一項研究試圖將月壤轉(zhuǎn)化為纖維，用于建造堅固的結(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，證明在月球上生產(chǎn)水或氧氣是可能的。這些研究探索了實際能生產(chǎn)水和氧氣的系統(tǒng)，提出了一個使用“碳熱反應(yīng)堆”從土壤中提取氧氣并用其來生產(chǎn)水的方案。另外兩項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。

為了實施月球ISRU示范任務(wù)，歐空局打算從商業(yè)機(jī)構(gòu)采購任務(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的月球探索場景中得到廣泛應(yīng)用。

歐空局目前還在進(jìn)行“PROSPECT”任務(wù)，該任務(wù)將探訪并評估月球上的潛在資源，為未來可能用于開采這些資源的技術(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化學(xué)實驗室，在那里對樣本進(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，并將測試未來可能應(yīng)用于地外資源開采的過程。

用3D打印機(jī)將就地材料建造成未來的月球基地將會變得更加簡單。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)略涵蓋的時間范圍到2030年，屆時月球資源的潛力將通過在月球上的測量得到確定，關(guān)鍵的技術(shù)也將被開發(fā)和展示出來，并將確定將其納入國際任務(wù)架構(gòu)的計劃。該戰(zhàn)略公布后，歐空局主辦了一個研討會，以確定實現(xiàn)空間資源利用所需的下一步計劃。

2020年，歐洲航天局建立了一個原型工廠，從模擬的月球塵埃中生產(chǎn)氧氣。從月壤中去除氧氣會留下各種金屬，因此該研究的另一個方向就是從這些材料中生產(chǎn)出最有利用價值的合金，并探索它們在月球上的用途。最終目標(biāo)是設(shè)計一個可以在月球上持續(xù)運行的“試點工廠”，第一個技術(shù)示范計劃在本世紀(jì)20年代中期進(jìn)行。

這一領(lǐng)域的其他太空機(jī)構(gòu)在做什么？

美國國家航空航天局（NASA）的月球勘測軌道飛行器已經(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還在開發(fā)多項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。

材料和電氣部件實驗室里，研究人員正利用模擬的月球塵埃生產(chǎn)氧氣和金屬。

NASA的第一個火星著陸器“海盜號”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)探測任務(wù)傳回的信息，NASA已經(jīng)開發(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驗（MOXIE）作為“毅力”號火星探測車搭載的7個科學(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)對月球極地?fù)]發(fā)物探測的國際合作，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)的試驗場。

美國國家航空航天局（NASA）毅力號火星探測器的想象圖。

中國國家航天局未來的任務(wù)也有望將月球極地?fù)]發(fā)物作為潛在資源。在中國的國際月球研究站設(shè)想中，預(yù)計將在本世紀(jì)20年代末到30年代初建成一個用于科學(xué)研究的自動化設(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項目的一攬子計劃。該任務(wù)將在月球極地地區(qū)進(jìn)行測量，重點關(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、移動基礎(chǔ)設(shè)施（如道路和著陸平臺）、輔助基礎(chǔ)設(shè)施（如通信、能源生產(chǎn)和儲存）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、用月壤制造太陽能電池，以及優(yōu)化能量儲存的新方法。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。

提交給歐空局開放空間創(chuàng)新平臺（OSIP）的一個想法提出，軌道碎片可以用于在月球上就地生產(chǎn)資源。

隨著我們對月球和小行星的認(rèn)識和了解逐漸提高，國際和私營機(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，開發(fā)利用就地資源支持未來宇航員的技術(shù)和方法仍然是一項挑戰(zhàn)，但在克服這項挑戰(zhàn)的過程中，相關(guān)的技術(shù)需求和管理有限資源的新方法也會刺激地球上的創(chuàng)新。這或許將幫助我們找到應(yīng)對全球挑戰(zhàn)的新方法，并為地球工業(yè)帶來中長期的經(jīng)濟(jì)回報。

本文來自“新浪科技”，作者：任天，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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