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开采太空水资源 NASA希望不用挖井

时间:2019-09-18 14:41:02 来源:科技日报

  Transastra公司“迷你蜜蜂”演示任务(构想图)。图片来源:Transastra公司网站

  人类到哪里都离不开水,太空中也不例外。现在,空间站中宇航员的饮用水仍然产自地球,使用火箭运送补给,运费比成本高得多。从地球运水,显然无法满足路远、人多的月球基地等未来太空设施的运转需求。

  科学家说,月球、小行星等天体上有丰富的水资源,那里的水既能为宇航员提供生命支持,又可以分解成氢和氧,作为燃料给路过的航天器“加油”。

  可是,太空中的水该怎样开采?是不是要把地球上的机器运过去打口井?美国国家航空航天局(NASA)打算怎样解决这一难题?

  用好太阳能,月球融水冰

  今年,美国Transastra公司和科罗拉多矿业学院的乔治·索沃斯领导的研究小组各有一个旨在开采月球水资源的项目,已获得NASA创新先进概念(NIAC)计划的资助,该计划旨在刺激开发有可能改变“游戏规则”的新兴航天技术。

  Transastra公司的项目名为“月球极地推进剂开采前哨站(LPMO)”,其获得NIAC的一阶段资助,开始早期概念研究。LPMO或许能为开发月球极地陨石坑中巨大的水冰储备,提供一个可行的方案。

  陨石坑中之所以有大量的水冰,是因为那里地势低洼,终日不见太阳,温度极低。但是,陨石坑的边缘却是终日阳光普照。事实上,这些坑并不深,从底部到顶部只有100米左右。因此,Transastra公司的研究团队设想在陨石坑中建立采水基地,插上很多百米高的桅杆,顶部安装太阳能电池阵列,为基地提供无穷无尽的能源。由于月球表面的重力很小,不必担心电池将桅杆压弯。

  具体的采水则由电动漫游车完成。它们在冰面来回漫步,向下发射由无线电、微波和红外线组合而成的特殊射线,通过辐射使水冰蒸发,同时用冷凝方法回收。研究人员认为,漫游车可由NASA巨大的“空间发射系统”(SLS)火箭或“蓝色起源”公司的新格伦火箭发射,重量在2—5吨之间,每年能开采相当于自身质量20—100倍的水。

  Transastra公司研究人员认为,LPMO将大大降低建立和维护一个巨大的月球极地基地的成本,该前哨站可以作为美国月球产业化的滩头阵地,首要就是建设“月球旅馆”,开展太空旅游。

  如果说LPMO需要将太阳能转变为电能再转化为辐射,索沃斯的项目则是直接利用太阳光的热量。今年6月,他在NASA未来空间行动(FISO)工作组的一次演讲阐述了他的“热采水”方案,即在月球极地陨石坑边缘安装定日镜(跟踪太阳运动的镜子),将太阳光反射到水冰上装有光学设备的聚热装置顶部,使水冰蒸发进而回收。

  索沃斯团队相信,这一概念具有巨大的潜力,有望从月球永久阴影区域提取生产推进剂的工业用水。

  罩住小行星,蒸馏内部水

  除了开采月球水冰,Transastra公司还有一个从小行星上取水的项目,也获得了NIAC资助,其原理与索沃斯团队提出的方案类似,即利用集中的阳光使水从小行星中蒸发。

  不同的是,该项目需要太空飞船直接将小行星捕获,然后用特殊的“罩子”把它包起来,之后引导阳光集中照射小行星的某些部位,通过强烈的热量使其表面的岩石剥落,内藏的水冰迅速蒸发,同时被冷凝回收。

  该项目已经进入第三阶段,也就是要完成演示任务的所有准备。Transastra公司计划在21世纪20年代早期开展演示任务,即向近地轨道发射一个250公斤左右的、代号“迷你蜜蜂”的概念飞行器,同时将一颗很小的模拟小行星送入太空,供“迷你蜜蜂”开展采水实验。Transastra公司披露,完成“迷你蜜蜂”演示任务需要大约1000万美元。如果成功,其将推出更大的“蜜蜂”和“蜂王”飞行器。“蜂王”的目标是能够捕获40米直径的小行星并“蒸馏取水”。

  不过,捕获小行星是“蜜蜂”系列飞行器面临的最大技术难题,其计划使用充气的“罩子”直接包住小行星,而小行星很可能会旋转,因此飞行器在捕获之前必须与其同步旋转,捕获之后再用支柱固定小行星,使它慢慢消旋。因此,旋转非常慢的小行星是理想的目标。

  太空中的水资源有多重要?Transastra公司创始人兼首席执行官乔尔·塞塞尔说:“水将成为太空工业化的石油。”

  然而,从NASA资助的这些项目看,要想得到太空水,打井或许不如太阳能好用。

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编辑: 刘坤媛
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