NASA部署16項未來太空技術:月球懸浮鐵道和火星洞穴機器人
2021年03月08日09:04

  3月8日消息,據國外媒體報導,目前,美國宇航局選擇了16項未來太空技術概念,準備進行深入研究,其中4個技術概念來自美國宇航局噴氣推進實驗室,例如:在月球上建造一個運輸貨物的鐵道系統。

  現今地球軌道太空一片繁忙景象,近幾十年來,人類在太陽系發射了大量探測器,用於探索行星、小行星、彗星和太陽,伴隨著航天技術不斷進步,所有太空任務都令人激動不已,並有可能成為現實,但是未來會怎樣呢?未來還會有哪些技術奇蹟?

  目前,美國宇航局已批準了“NASA創新先進概念(NIAC)”項目的資金申請,該資金將獎勵12名以上的研究人員,鼓勵他們研究創新概念的可行性,這些研究人員包括:美國宇航局研究員、工業界和學術界的科學家。以下是美國宇航局選擇的16項未來太空技術概念:

  1、月球柔性膜懸浮鐵道(FLOAT)

  設計者:伊桑·沙勒,美國宇航局噴氣推進實驗室

  我們希望建造月球第一個鐵道系統,它將提供安全可靠、自動高效的運輸方式,可實現有效載荷在月球表面上運輸,建立一個持久、壽命較長的機械裝置運輸系統,對於2030年可持續性月球基地的正常運行至關重要,正如美國宇航局的“機器人月球表面操作2號任務(RLSO2)”的設計概念,以下兩種作用:一是運輸開採的風化表層作為資源利用消耗品(水、液態氧、液態氫)或者建築材料;二是運輸月球基地周圍的有效載荷,往返登陸區域或者其他前哨站。

  為了實現以上運輸需求,我們建議在月球表面建造柔性膜懸浮鐵道(FLOAT),FLOAT系統使用無動力磁性機械裝置懸浮在3層柔性薄膜軌道之上:石墨層薄膜能使機械裝置基於反磁性懸浮力被動地漂浮在軌道上方,柔性電路層產生電磁推力控制機械裝置沿著鐵軌運行;位於底部的太陽能薄膜,在太陽光線照射下可產生電能。FLOAT懸浮系統沒有運動部件,一直懸浮在軌道之上,從而減少月球灰塵的磨損,該系統不像是月球登陸車有輪子或者支架。

  FLOAT系統能在塵土飛揚、不適宜居住的月球環境中自動運行,並且保持最小場地準備,其軌道網絡可以隨時間推移捲起或者重新部署,以適應不斷變化的月球基地任務要求。

  2、傳感功能獨立微型游泳機器人(SWIM)

  設計者:伊桑·沙勒,美國宇航局噴氣推進實驗室

  未來幾十年的太空探索將聚焦於地外海洋星球,尤其是土衛二、木衛二和土衛六,這些星球的液態海洋位於數千米厚的冰殼之下,是地球之外最有可能孕育生命的地方。為了抵達這些地外海洋世界,美國宇航局正在開發和完善許多進入海洋的任務概念,其中包括:“探索木衛二地下海洋(SESAME)”等級的熱機械鑽探機器人,我們建議研發“傳感功能獨立微型游泳機器人(SWIM)”,這將極大擴展微型體積海洋探測機器人的任務能力,並極大地增強探測可居住性、生物標誌物及生命證據的可能性。

  SWIM系統包括釐米等級、3D打印可游泳的微型機器人,其裝配著微電子系統(MEMS)傳感器,由微型致動器驅動,採用超聲波無線遙控。微型游泳機器人可以獨立部署,也可以從單個SESAME機器人載體上部署,一旦它到達或者錨定海洋-冰層交界區,其靈活性將受到限製。SWIM機器人能擴大海洋採集範圍,能力遠超出SESAME機器人,從而增大了探測到地外海洋生命跡象的可能性。同時,該機器人還能獲得科研工作所需的海洋屬性、宜居性指標和潛在生物標記的時間和空間分佈測量(單個機器人不可能實現)。這些能力將使科學家在美國宇航局首次地外海洋勘測中更好地描述和理解海洋成分及生命宜居性。

  3、被動擴展偶極子陣列月球探測儀(PEDALS)

  帕特里克·麥克高瑞,美國宇航局噴氣推進實驗室

  理解類地行星地下組成和結構是揭曉其地質歷史演變的關鍵,其中包括:地殼分化、火山作用、沉積作用、盆地形成和揮發性運輸和聚集。通常採用的地下探測設備是雷達,它可以通過基於地球的雙基站、軌道或者表面結構來實現,在每種情況下,合併雷達儀器的任務操作天線都具有固定共振頻率,通常限製在一個或者兩個工作頻帶。目前,火星軌道設備MARSIS在迄今所有軌道探測雷達中具有最大天線(40米),它可提供千米等級的穿透勘測和全球覆蓋範圍,但由於信噪比較低、解像度較低、表面反射模糊等原因,導致勘測數據失真度較高。考慮到使用單一、固定長度偶極天線產生的頻帶有限性,我們建議採用被動擴展偶極子陣列月球探測儀(PEDALS),它包含一系列離散偶極天線,通過特殊組成和短偶極耦合擴展到更大的區域,通過頻率和深度變換能有效提高解像度。PEDALS的關鍵創新之處在於其獨特能力,可以從不同的空間位置測量廣泛而連續的深度範圍,這是之前探地雷達裝置無法實現的。PEDALS利用形狀記憶材料被動展開4個繫繩,並計劃在未來各種月球勘測任務中使用。驅動PEDALS任務的關鍵科學目標包括對比地殼厚度從而理解地殼結構的深度,以及測量表面風化層揮發物分佈,探測地下空洞等。

  4、太陽系驛馬快信系統

  約書亞·範德·霍克,美國宇航局噴氣推進實驗室

  太陽系驛馬快信系統是一個全球性、多光譜、高解像度的行星探測系統,通過週期衛星網絡的定期訪問來獲取千萬億位字節數據,然後傳輸到地球。這些“信使”衛星使用光學通信每年至少接收一次該測量系統1-3千萬億字節的數據,之後衛星將朝向地球方向運行,近距離快速傳輸數據。通過利用週期軌道,該系統僅需要最小的機載推進力,並可以作為深空網絡的擴展和人類探索後勤網絡的先驅運行幾十年時間。

  5、支援早期地外行星著陸及操作的風化層自適應修正系統

  薩巴吉特·班納吉,美國德克薩斯州農工工程實驗站5

  “風化層自適應修正系統(RAMs)”是為選擇性加固和融合月球表面天然材料而設計的,目前這一概念是從美國宇航局創新先進概念(NIAC)提案中衍生而來,該提案專注於柔性輕型著陸平台設計。目前的月球風化層改造研究主要集中在使用基於大量現有成功技術,例如:燒結和地質聚合技術。相比之下,風化層自適應修正系統特別適合在早期著陸時支援部署工作,但也可以用於月球和火星定居點建成後進行更成熟的建設活動。而不是將所有材料、設備和電源用於固定月球表面風化層,進行灰塵控制、摺疊著陸墊、固定登陸墊或者鋪設通道等功能性維持工作。RAMs使用奇特的微膠囊運載系統,能夠送遞納米鋁熱劑混合物和有機矽烷使點焊錨點與表面底部風化層固定在一起,同時採用先進的高強度鋼釘進行加固。

  該系統還提供額外的地下風化層穩定劑,這些物質植入土壤深處,並被初始放熱反應激活,從而形成一層連續的鋁熱劑熔合和地質聚合風化層,構建了一道屏障,提供了額外的承載能力。因此,除塵和承載是通過反應/凝固化學和物理網格屏障來實現的。

  6、通過SCATTER探索天王星

  西格西德·克洛塞,美國斯坦福大學

  “發射電磁輻射持續立方體衛星勘測活動(SCATTER)”研究飛船通過研究激光器發射器釋放能量和遠程操控小型探測航天器的能力,可使飛船在前往天王星的長時間深空任務中間歇性部署探測器,在那裡僅使用光伏和電池電源是不可行的,基於立方體衛星的勘測活動,可使科學家通過單個探索任務來增強科學測量,例如:磁場梯度,從而更好地瞭解天王星這顆冰巨星,該行星是太陽系內很少被勘測的行星之一。

  7、電弧燒蝕開採的就地資源利用

  艾米莉亞·格雷格,美國德克薩斯大學

  伴隨著近年來太空探索不斷擴展,例如:人類對太陽系其他天體表面的探索,非常有必要進行就地資源利用(ISRU)從當地資源中獲取水、建築材料和推進劑,如何製造水是執行太空任務短期內最關鍵的成分,因此是許多研究的重點方向。然而,能夠採用相同的系統開採其他資源在未來將變得至關重要。因此,一個運行良好的採礦系統應當包括水資源開採和收集,同時也應該儘可能多地採集其他當地材料。使用電弧燒蝕表面材料會產生自由電離粒子,這些粒子可以按質量分類成物質群,並通過電磁場輸送到相關的收集器,每種材料類型的收集器可以並行使用,以實現最大收集效率和貯藏條件。

  電離燒蝕弧、電磁傳輸、分類篩選以及收集模塊都集中放置在一個可移動表面履帶牽引裝置中,能為人類太空探索活動提供多樣化、高效率和廣泛覆蓋的原位資源利用。通過使用電弧燒蝕和電離風化岩顆粒,運輸和採集這些揮發物比依賴熱採礦技術採集隨機樣本更易於操控。這將大幅增加顆粒採集的速度,並減少了非預期表面的冷凝損失,使用磁場來分離揮發物將很容易地分類篩選任何風化層成分,例如:水和金屬離子。

  8、部署千米等級的太空結構

  紮克利·曼徹斯特,卡內基梅隆大學

  長期太空飛行將給人體帶來嚴重的挑戰,其中包括:肌肉萎縮、骨質疏鬆、視力下降、抑製免疫力等,這些影響都與缺乏重力有關,自人類最初實現太空探索以來,就一直期望著能在太空棲息地形成重力環境,科幻小說中曾提出旋轉太空基地能產生人造重力作用。然而,旋轉太空基地產生的人造重力會對人體造成諸多不良反應,當人體長期暴露在每分鐘幾次旋轉的轉速下,人體會感到不適和眩暈,為了在1-2RPM(每分鐘轉數)的轉速下產生接近1g的人造重力環境,需要一種千米等級的太空結構。為瞭解決該問題,我們將利用機械超材料取得的最新進展,設計一種輕質量部署結構,膨脹率達到150倍以上。像這樣的結構可部署在獵鷹重型火箭整流罩中,在太空軌道上進行伸展,達到長度1千米以上的最終尺寸,而不需要複雜的在軌組裝或者製造,我們的研究將適用於類似“月球軌道空間站”的概念設計,1千米以上等級的可擴展結構將成為大型旋轉太空站主幹部分。

  9、自主深井鑽孔機器人

  奎因·莫理,行星企業公司

  現在人們相信火星存在地下液態水,位於南極層狀沉積物(SPLD)下方1.5千米深處,美國宇航局艾姆斯研究中心資深科學家克里斯·麥凱稱,如果我們要研究天體生物學,不僅需要看到它,我們還需要獲得一部分樣本,因為我們有必要對火星等地外星球進行深度鑽探。此外,2019年一份後續報告指出,如果地殼之下火山活動產生熱量使液態水成為可能,那麼該地層和冰下湖泊很可能孕育地外生命。此前南極層狀沉積物是火星最具科學探索意義的區域之一,它見證了40億年前大氣和氣候變化,目前科學家還沒有做好充分準備,利用深層鑽探系統完成此項任務。

  我們提出的是一種自動鑽井系統,該系統將利用一個類似“毅力號”火星車類型的探測器作為鑽機,該探測器將配備最少且適當的科學儀器,以及採用冗餘度很高的鑽井策略,該鑽井策略不依賴電纜,相反,自給自足的機器人可以自動在鑽井上下移動,這些機器人被稱為“鑽井機器人(borebots)”,長度大約1米。

  鑽井機器人由探測器面板上簡單線性致動器移動到指定位置的管子中進行部署,它們在鑽入井眼時能不斷鑽孔,鑽井機器人移動是通過橡膠罐軌道系統實現的,該系統壓在鑽孔兩側,鑽孔機器人在每次勘測中會鑽探150毫米深,然後將冰芯分離出來,通過鑽孔向上移動將其帶到表面。當冰核由鑽孔機器人提取出來時,探測器將對冰核進行原位分析,並使用內部處理設備進行存放處理,這意味著冰核樣本要麼被用於原地分析,要麼被存放供以後檢索。

  10、適用太陽系目標攔截及樣本採集的航天推進器(採用緊密、超功率高密度放射性電池)

  克里斯托弗·莫里森,超安全核技術公司

  超安全核技術公司(USNC-Tech)提議製造一種20 kWe (千韋,磁通量單位)等級、500公斤的干質量放射性同位素電子推進器,它由新型可充電原子電池(CAB)提供動力,採用該推進器的航天器飛行速度很快,能夠勘測太陽系外天體,並收集樣本,並在10年之內返回地球。樣本採集數據和星際天體數據可能從根本上改變我們對宇宙以及地球所在位置的認知觀點,在過去3年里,有兩顆太陽系外天體(Oumuamua和C/2019 Q4)已經穿越太陽系,我們必須做好準備勘測下一個進入太陽系的系外天體。

  11、輕量級太陽帆(APPLE)

  約瑟夫·內馬尼克,航空航天公司

  輕量級太陽帆是一種能在低質量、快速運行的太空平台上執行深太陽系任務的架構,我們研製了一種可替代的運載工具架構,它整合了壽命長、峰值功率、可充電、模塊化的電力系統和太陽帆推進系統,該裝置能適用完成最新太空探索任務。新太陽帆飛行速度快,並能抵達太陽系遠端,例如:用6個月時間抵達木星附近,1年時間抵達土星附近,4年時間抵達冥王星。雖然推進系統是該太陽帆的設計關鍵環節,但該飛行任務必須具備動力系統,APPLE包括一個耐用的抗輻射電池。

  12、使用原位推進劑返回土衛六樣本

  史蒂文·奧爾森,美國宇航局格林研究中心

  使用原位推進劑返回土衛六樣本的方案獲得美國宇航局的關注,該方案“就地取材”,利用土衛六表面物質製成揮發性推進劑,該方案與其他所有傳統原地資源利用概念相差很大,它將實現對行星科學、天體生物學和理解生命起源的巨大科學價值的回歸,同時,這比其他樣本返回任務(距離大小和能量等級)的難度大一個數量等級。

  13、洞穴機器人:在火星洞穴中執行移動操作任務的小型機器人

  馬可·帕沃內,美國斯坦福大學

  該任務的目標是開發一種任務架構,其中包括一個遠程爬行機器人、錨定位置的機器人,它可以使用延伸吊杆進行移動操作,在行星洞穴複雜地形中探索采樣,尤其適用於執行火星探索任務,這款機器人被命名為“洞穴機器人”,使用可伸縮吊杆作為操作臂,是一種高度可重構機械裝置。據悉,該機器人設計彙集了美國斯坦福大學自主機器人、機器人操作、機械設計、仿生抓取和地質行星科學領域的跨學科專家團隊。

  14、“遠視天文台”:原地製造月球遠端射電天文台

  羅納德·波利丹,月球資源有限公司

  我們提議進行遠端對接的系統級研究,研究如何在月球遠端利用風化層材料建立一個龐大的低頻(5-40兆赫茲)射電天文台,它被稱為“遠視天文台”,它將是一個分佈在20×20千米區域內大型偶極天線陣列,它將開啟一扇觀測窗口(低頻射電),能夠洞悉早期宇宙狀況,其作用類似於激光干涉引力波天文台(LIGO)和普朗克天文台探測宇宙微波背景輻射。由於地球會製造無線電噪音和電離層干擾,因此在地球表面建造一個低頻射電天文台不太現實,“遠視天文台”概念將利用原地製造技術,並有時採用地球上進行的系統升級,通常情況下該天文台會長期使用,它與地球發射的完整天線陣任務相比,其成本更低、使用壽命更長。

  開發月球表面基礎設施(電力系統、能量存儲系統、空間製造資產、空間採礦資產),從而實現未來月球表面科學和商業任務,從風化層加工活動中提取和提煉氧氣和金屬,用於未來月球前哨基地和其他空間製造,以及人類在月球表面和航天活動。

  15、通過小行星播種真菌來為太空棲息地創造土壤

  簡·謝維特索夫,跨越宇航公司

  任何大型、長期的太空棲息地都需要自己種植大部分食物和回收營養物,對於簡單的補給任務而言,用水培方式種植農作物很有意義,但基於土壤的種植系統對無法實現地球物資補給的大型太空基地具有重要優勢。

  其中科學家擬議的一個太空棲息地設計是旋轉的圓柱體,從而創造出人造重力,最多可容納8000人,用於小行星採礦、空間製造和研究等目的,該棲息地是為了實現食物充足,同時具備綠色空間,既支援宇航員的心理健康,又能作為生命支援系統的一部分。在該情形下,農作物水培法將遇到困境,因為基地需要大量機械,同時也會出現故障點,例如:泵和油管,此外,水培系統還需要營養液,很難循環利用農業和人類的排泄物,然而這卻很容易在土壤為基礎的種植系統中完成,方法是通過堆肥化處理人類排泄物,並將它們放入土壤之中。

  目前,我們建議使用富含碳的小行星物質製造土壤,利用真菌物理分解這些物質,在化學角度上有效降解有毒物質,我們將利用真菌將小行星物質轉化為土壤,基本的想法是在富含碳的小行星上植入真菌,以促進土壤的形成,真菌擅長分解複雜的有機分子,包括那些對其他生命形式有毒的分子。例如:平菇已被證明可以通過消化石油中的碳氫化合物,成功地清理被石油汙染的土壤,菌絲可以穿透很遠的距離進入裂縫中,並施加大量的壓力,從物理上破壞岩石,有些甚至生長在岩石內部,事實上,有證據表明真菌在地球早期土壤形成過程中發揮著關鍵作用。

  16、光線反射鏡

  查爾斯·泰勒,美國宇航局蘭利研究中心

  光線反射鏡是一個在月球表面發電和分配能量的新概念,它是在“阿爾忒彌斯號”任務以及隨後“人類長期在月球表面生存”的未來背景下實現的,該創新概念基於一個定日鏡,它利用卡塞格倫光學望遠鏡作為主要手段來捕捉、集中和聚焦太陽光線,第二個關鍵環節是使用菲涅爾透鏡校準光線,並在1公里或者更遠的距離向多個終端用戶分佈。重新定向和集中太陽能,然後向終端用戶分佈,使用小型光伏陣列(2-4米直徑)轉換成電能,該裝置可以安裝在太空棲息地,將太陽能轉化為電能。(葉傾城)

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