未來20年探索月球和火星可能會用到這些“黑科技”
據外媒報道，從《星際迷航》（Star Trek）中的便攜式醫療掃描儀到《蒼穹浩瀚》（The Expanse）中的外星農場，科幻小說經常爲NASA和其他太空機構的未來研究提供靈感。美國宇航局（NASA）正通過其創新先進概念(NIAC)項目招募研究人員探討類似的科幻想法，其中有些很可能在未來20年成爲現實。
十年前，在火星上操作直升機飛行或部署月球車繪製月球冰圖似乎都是遙不可及的夢想，但火星直升機今年早些時候就已經升空，而月球車也在計劃階段。現在，NIAC項目的會議組織者已經徵集了更多探索性項目提案，其中有些最終可能會得到NASA的資助。
NIAC項目主管傑森·德萊斯（Jason Derleth）說：“我們投資的是長期的、看似遙不可及的技術，其中大多數可能不會奏效。但如果它們取得成功，一切都可能爲之改變。這是高風險、高回報的投資組合，與風險投資沒什麼區別。”
德萊斯還稱，這個項目的重點不是漸進式開發，而是尋求改變遊戲規則的技術，這些技術比目前最先進的技術還要好上十倍。他將其比作美國國防部下屬研發機構DARPA，後者也探索極具投機性的概念，但卻幫助開發了現代互聯網先驅以及其他創新。
到目前爲止，今年會議討論的提案，比如發射可摺疊空間站或宇航員棲息地的新方法，或者從其他世界提取資源，都圍繞着這樣理念進行，即爲了支持漫長的太空旅行，必須充分利用每次火箭發射。
未來的太空遊客將需要更多資源來維持生存，需要保護性設施，需要燃料來支持更遠的旅行或回家。得克薩斯大學埃爾帕索分校航空工程師阿米莉亞·格雷格(Amelia Greig)說：“這給我們留下了兩個選擇：第一，把所有東西都帶上，就像你要去沙漠徒步旅行一樣；第二，尋找新的、有創意的方法來利用現有的一切。”
一次開採多種月球資源
爲了幫助創造性地重新利用月球資源，格雷格和她的同事們提出了一種名爲“燒蝕弧採礦”技術，這種技術可以吸收水冰以及可以用作建築材料的各種金屬。她在演講中說：“這就像是用可控的閃電來開採月球資源。”
在格雷格的構想中，她描述了麪包車大小的月球爬行器，並以《星球大戰》（Star Wars）中的沙地履帶車命名。這種爬行器會自己選擇地點，然後部署環形裝置，前端與地面平行。電弧會劃過直徑可達一米的圓環，將月球表面的顆粒撕裂。這些粒子帶電後，可以根據機器的電磁場進行移動和分類。通過這種方法，單臺設備就可以在一個容器中裝滿水，另一個容器中裝滿附着在其他元素上的氧氣，在其他容器中裝入硅、鋁或其他金屬顆粒，而不是隻侷限於開採一種資源。
圖2：將來可能部署在月球南極附近隕石坑中的燒蝕弧採礦系統渲染圖
但是，就像所有早期的概念一樣，“燒蝕弧採礦”技術也面臨着必須克服的實際挑戰。舉例來說，月塵可能會卡在爬行器內進而造成問題，爲此機器必須防塵。爲了尋找水冰，爬行器還必須移動到缺乏光照的隕石坑中，那裡含有質量約爲6%的水，但極其寒冷和黑暗。
爲此，爬行器的電子設備必須設計成能在那些崎嶇的條件下工作，並使用非太陽能電源。此外，宇航員可能很難監督它們，儘管他們可以在隕石坑邊緣監視採礦過程。NASA估計，月球上的永久居民點每年需要大約1萬公斤的水，這將需要至少20輛爬行器四處遊蕩，逐漸收集這些補給，除非這項技術有其他補充。目前，格雷格希望在幾年內能測試更小的爬行器演示版本。
圖3：月球表面“燒蝕弧採礦”過程渲染圖
太空採礦項目也引發了倫理問題。例如，科學家和其他人擔心，在月球上採礦可能會永久改變月球在夜空中的外觀。但格雷格指出，“燒蝕弧採礦”技術對環境的影響看起來不會像地球上那樣大。而且礦區可能會分散開來，或使某些隕石坑更深些。至於可持續性發展問題，她說：“有足夠的水供人類居住數百年。”
可擴展150倍的摺疊空間站
作爲月球旅遊和深空探險的潛在發射點，NASA提議建立繞月球運行的空間站，名爲Lunar Gateway。但卡內基梅隆大學的機器人專家扎卡里·曼徹斯特（Zachary Manchester）認爲，火箭的尺寸畢竟有限，幾乎沒有爲月球空間站發射大型結構的可能。如果你想要發射比火箭整流罩更大的東西，最多隻能有幾米長，必須用多枚火箭發射，並在軌道上組裝，比如國際空間站。或者它必須以某種方式被壓縮，然後以某種方式向外擴展。
在最新會議上，曼徹斯特和華盛頓大學機械工程師傑弗裡·利普頓(Jeffrey Lipton)提出了適合被塞入狹小空間發射的空間站。到達太空後，它會自動展開，就像摺紙那樣，變成一個全尺寸的太空建築，大約比摺疊時的尺寸大150倍。初步設計包括由鈦、鋁或其他金屬製成的多接頭結構。
由於未來的宇航員可能會在空間站上停留很長時間，它將需要旋轉來產生人造重力，以避免長期處於零重力狀態對健康的有害影響。但人類對旋轉很敏感，沒有人總想待在旋轉木馬上。曼徹斯特說：“如果你試圖建造一個旋轉的太空棲息地，唯一不會讓人感到眩暈的方法就是以每分鐘兩圈的速度旋轉。”
圖4：美國宇航局月球軌道空間站的藝術渲染圖
曼徹斯特認爲，要產生類似地球的重力，這樣的空間站直徑需要達到1000米。然而，將如此巨大的建築塞進狹小的空間中，直到它被部署起來，這將是個重大的工程挑戰。此外，爲了使他們的想法成爲現實，曼徹斯特和利普頓最終需要弄清楚如何使摺疊空間站在展開過程不被纏住，儘管該結構有數千個接頭。
利用真菌構建太空棲息地
就像爲長途公路旅行打包那樣，NASA在將月球或火星結構所需的一切都安裝到火箭上時，也將面臨類似的挑戰。爲了減輕負擔，有些科學家建議使用火星岩石作爲3D打印結構部件的材料。但NASA下屬艾姆斯研究中心的天體生物學家林恩·羅斯柴爾德(Lynn Rothschild)有完全不同的想法，她希望用蘑菇製造這樣的設施，或者她所說的“真菌結構”。她說：“不起眼的蘑菇可以提供令人難以置信的建築材料。它完全是天然的，是終極的綠色建築。”
雖然真菌可以用來培植材料，以製造宇航員可以用來建造的真正磚塊和砂漿，但最好的太空棲息地在他們到達之前就會組裝好。羅斯柴爾德的團隊建議是發射着陸器，該着陸器將包括塑料支架和真菌菌絲體，即構成真菌根部結構的白色細絲。
支架將是由方形空心塑料單元組成的格子，層層縫合，形成最終設施的形狀。在火星上，它可能會膨脹到車庫大小。利用水和氧氣（至少部分可能來自火星），真菌會沿着這些縫合線生長，並填滿格子，最終將帳篷狀的結構變成成熟的太空建築。
羅斯柴爾德認爲，有些暗色真菌甚至可以幫助增強抵禦太空輻射的能力。她說：“它們看起來有點兒噁心，但這種黑色色素往往能保護真菌和棲息地裡的人免受輻射的傷害。”她希望在未來幾年內向國際空間站發送演示原型。
與月球不同，火星可能曾經適合生命生存。因此，羅斯柴爾德正在設計支架，以防止任何可能危及火星生命和環境的真菌逃到外面。NASA最不希望的就是，在尋找其他星球生命時，結果卻發現了來自地球上的東西。在羅斯柴爾德的設計中，真菌基本上處於“雙層袋裝”狀態，即在塑料格子裡多加了防護層，以確保它們都留在裡面。
爲了解決這些問題，太空機構請來了行星保護專家，比如NASA下屬噴氣推進實驗室生物技術和行星保護小組主管穆格加·庫珀(Moogega Cooper），他在NIAC會議上發言稱：“在任何你可能與液態水互動的地方，你的探索肯定會引起我們的注意。畢竟哪裡有水，哪裡就可能有生命。”美國是《外層空間條約》的最初簽署國之一，該條約要求每個想要向外星世界發射任務的太空機構或公司，都必須確保航天器和飛船上的所有設備經過消毒。
雖然NIAC項目每年的預算只有850萬美元，但它支持了許多探索性項目。在本次會議上提出的某些想法可能會進入下一階段，或者可能會被其他機構或私營公司採納，比如早先的一項提議，即用激光將智能手機大小的航天器推向另一個恆星系統，這激發了私營企業Breakthrough Starshot的靈感。庫珀說：“所有這些概念都在推動我們的理解，它們真的能讓我們把科幻小說中的場景變成現實。”（小小）