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，在長期的太空任務中，宇航員們的生活和工作都需要必要的基礎(chǔ)設施，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行建造。為了探索這種可能性，歐洲空間局（ESA）的“探索與準備”（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)設施和生產(chǎn)設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劑。

“探索與準備”項目

通過對前往月球的運輸服務進行測試，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“探索與準備”研究項目重點關(guān)注了推進和動力系統(tǒng)，并評估了本世紀對先進推進技術(shù)的需求。這項研究的結(jié)論是，ISRU可以降低火星任務的成本，同時提高推進性能，但ISRU技術(shù)的研究和開發(fā)應該馬上開始。

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)，包括設計一座ISRU化工廠，以生產(chǎn)推進劑和生命維持所需的化學品，以及外星表面活動所需的燃料。

同時進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性，發(fā)現(xiàn)ISRU在生產(chǎn)推進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器的系統(tǒng)。這項由空中客車公司進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）的離子推進裝置特寫。

一項研究探索了月球模擬設施如何支持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，甚至設計了一個可打印的居住地。還有一項研究最近更進一步，探索了如何利用月球風化層進行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，該任務的目標是到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，歐空局打算從商業(yè)機構(gòu)采購任務賦能服務，包括有效載荷交付、通信和操作服務等。在這一過程中，歐空局將利用并進一步培育現(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用。

歐空局目前還在進行“PROSPECT”任務，該任務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)做準備。PROSPECT將在月球南極附近的月表下進行鉆探，提取可能含有水冰和其他可能在極低溫度下凍結(jié)的化學物質(zhì)的樣本。然后，鉆頭將把樣本送到一個化學實驗室，在那里對樣本進行加熱，以提取化學物質(zhì)。這次任務將作為俄羅斯領(lǐng)導的“月球-27”（Luna-27）任務的一部分，并將測試未來可能應用于地外資源開采的過程。

用3D打印機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所在內(nèi)的工業(yè)界伙伴正與歐空局一道，測試利用月壤進行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。最終目標是設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20年代中期進行。

這一領(lǐng)域的其他太空機構(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家經(jīng)過觀察和分析后，確定了月球表面的化學成分，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，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。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正在與其他空間機構(gòu)一道，協(xié)調(diào)對月球極地揮發(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也有望將月球極地揮發(fā)物作為潛在資源。在中國的國際月球研究站設想中，預計將在本世紀20年代末到30年代初建成一個用于科學研究的自動化設施，可能為利用月球資源提供先機。

俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos）正在與歐空局合作進行三次“月球”系列任務，其中就包括“月球-27”任務，它將承載歐空局PROSPECT項目的一攬子計劃。該任務將在月球極地地區(qū)進行測量，重點關(guān)注那里可能發(fā)現(xiàn)的低溫揮發(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)設施（如道路和著陸平臺）、輔助基礎(chǔ)設施（如通信、能源生產(chǎn)和儲存）和硬件（如工具、室內(nèi)設備、機械和衣物）的建設提供了支持。

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識和了解逐漸提高，國際和私營機構(gòu)更多地參與空間技術(shù)，以及新技術(shù)的出現(xiàn)，利用空間資源進行外星探索的可能性已觸手可及。

當然，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)濟回報。

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