美国宇航局“BIG Idea Challenge”比赛开启：有望实现月壤材料原位制造

导读：随着美国宇航局的第一个Artemis登月任务将在短短几天内发射，航天局正准备在2024 年12月之前将团队派往月球南极的任务。完成这次登月任务并不是一项易事，需要新技术来帮助工作人员度过难关。恶劣的月球环境，大气层稀少，没有防辐射保护措施，磨砂尘，极端温度都是需要解决的问题。因此，在解决这些任务时要考虑的最关键方面之一是就地资源利用(ISRU) 的可用性，人类可以利用当地资源生存。



美国宇航局的 BIG Idea Challenge

2022年8月，南极熊获悉为了推进适合月球微重力条件的制造工艺，美国宇航局正举办一年一度的Game-Changing (BIG) Idea Challenge的项目，此项目是由NASA赞助的工程设计竞赛，每年从高等教育学术界寻求创新想法。此次项目目标是在月球上设计一条金属生产线，包括从月球矿物中提取金属以及在现场创建结构和工具。美国宇航局希望通过此技术推进Artemis计划的目标，即在月球表面持续存在人类。


△NASA 的太空发射系统火箭和集成的猎户座飞船已准备好在 NASA 的肯尼迪航天中心发射。

通过2023 年 BIG Idea Challenge（被称为 Lunar Forge Challenge），NASA 邀请大学生解决太空探索面临的一些最关键的需求，并帮助创造可以使发现成为可能的任务能力。该挑战为本科生和研究生与教师顾问合作提供了在一年半以上的基于项目的计划中设计、开发和展示他们的技术的机会。此外，这项由 NASA 资助的挑战赛为多达 8 个选定的团队提供高达 180,000 美元的开发奖励，这些团队将有机会在 2023 年 11 月的高潮论坛上构建和展示他们的概念设计并分享他们的研究和测试结果。参加 BIG Idea Challenge 的学生团队将开发创新方法，从月球上的矿物（如钛铁矿和钙长石）中提取和转化金属，以实现金属制造。

月球上的 3D 打印金属

金属是建筑结构、管道、电缆等的重要资源，主要它具有高强度和耐腐蚀性。然而，用于基础设施的金属材料很重，因此将它们运送到轨道非常昂贵。近年来，由于 SpaceX 和 Blue Origin 等商业发射提供商的出现，将物体送入轨道变得更加经济。如今发射宇宙飞船至少比几年前便宜十倍。例如，基于战略与国际研究中心的数据，SpaceX Falcon 9 发射的搭载有效载荷（而不是预订整个任务）将花费每磅 2,500 美元到近地轨道 (LEO)。在 1960 年代，美国宇航局花费 280 亿美元将宇航员送上月球，今天的成本经通胀调整后相当于约 2880 亿美元。



无论如何，将金属送入太空的成本仍然很高。相比之下，月球上 ISRU 衍生金属的可用性将允许使用增材制造 (AM) 在当地制造月球基地的基础设施。所需的一些基本基础设施产品是用于液体和气体的储存容器、挤压件、管道、电力电缆和支撑结构（如道路和着陆场）。

该机构空间技术任务理事会 (STMD) 技术成熟度主管 Niki Werkheiser 在评论新挑战时解释说：“在国内，锻造金属长期以来一直是我们建造房屋和基础设施的关键部分，同样如此。。这一挑战让学生有机会帮助开发未来的技术，帮助我们在月球表面发现、加工和制造金属。”

根据 NASA BIG Idea Challenge 网站，邀请团队提交月球金属产品管道中任何一点所需的技术提案，包括但不限于金属检测、金属精炼、AM 成型材料以及测试和合格3D在月球上使用的印刷基础设施。预计这些团队将在 2022 年 9 月 30 日之前提交一份意向通知书，并在四个月后提交一份书面提案和视频提交，描述他们的金属产品生产管道部分如何适应月球上的基础设施开发。团队还应确定他们假设将采用哪些系统来支持他们提出的概念，并考虑整合机制以实现在月球上的高效运行，包括月球尘埃控制、热管理和实际功率。

团队必须有至少 5 名但不超过 25 名来自美国高校的学生和教职员工，这些高校隶属于所在州的 Space Grant Consortium，这是一个全国性的高校网络。但是，非 Space Grant 附属学院和大学可以与 Space Grant 附属机构合作，并鼓励多学科团队。

美国宇航局 STEM 参与办公室的空间拨款项目经理 Tomas Gonzalez-Torres 说：“NASA 已经在考虑支持更长期的月球任务。这个 BIG Idea Challenge 主题将大学团队与推动人类在月球和其他行星上持续存在的努力联系起来。我们很高兴看到这些团队的发展。”