北京時間3月6日消息，據國外媒體報道，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設施，他們還需要展開實地探索活動，與地球保持聯繫，同時生產對生存至關重要的氧氣和水。
未來的月球基地或許將使用3D打印技術來生產和維護。
從地球上攜帶所有這些基礎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並進行建造。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設施和生產設施的解決方案被稱為“就地資源利用”（ISRU）。以往在這一領域的研究已經探索並展示了ISRU的基本概念，主要結合了勘探現場發現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射和着陸平台。ISRU也可以用來生產能夠產生並儲存能量的發電設備，以及用於通信的天線塔。此外，ISRU還可以生產大量的水和氧氣，用於維持宇航員的生命，並製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的極限，並創造新的太空商業模式。
1999年，第一個與ISRU相關的“探索與準備”研究項目重點關注了推進和動力系統，並評估了本世紀對先進推進技術的需求。這項研究的結論是，ISRU可以降低火星任務的成本，同時提高推進性能，但ISRU技術的研究和開發應該馬上開始。
因此，在歐空局其他所有項目的配合下，ISRU的相關研究繼續進行。2000年完成的一項研究側重於未來太空探索所需的動力系統，包括設計一座ISRU化工廠，以生產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注長期的太空探索，其中一項研究考慮了火星探索需要什麼樣的架構和技術。該研究探索了利用火星大氣和土壤來生產推進劑和宇航員生存所需液體——包括氮、氧、氫和水——的可能性。另一項研究關注的是人類在長期星際和行星環境中的生存能力和適應性，發現ISRU在生產推進劑和生命維持消耗品方面可能有着重要的作用。
13年時間很快過去，隨着技術的發展，研究人員已經能夠探索更加具體的ISRU概念，包括一個從火星大氣中收集、儲存二氧化碳並將其輸送到推進器的系統。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。
在過去的幾年裡，“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設施，以及更具體的能源生產和儲存方法；最近的一項研究探索了如何利用月壤儲存熱量，並為宇航員、漫遊車和着陸器提供電力。
地球重力場和海洋環流探測衛星（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技術的發展，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於建造結構。
另一項研究證實了月壤作為建築材料的可行性。研究人員選擇了一種利用月壤打印結構的合適工藝，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。
作為現有3D打印技術的替代方案，2019年的一項研究試圖將月壤轉化為纖維，用於建造堅固的結構。研究人員製作了一份材料樣本，證明用這種方法製造局部不透水的結構是可能的。
最近，“探索與準備”計劃資助的一組研究探索並定義了歐空局的月球IRSU示範任務，該任務的目標是到2025年時，證明在月球上生產水或氧氣是可能的。這些研究探索了實際能生產水和氧氣的系統，提出了一個使用“碳熱反應堆”從土壤中提取氧氣並用其來生產水的方案。另外兩項研究分別探索了該系統如何依靠着陸器作為電源，以及它如何與地球通信。
為了實施月球ISRU示範任務，歐空局打算從商業機構採購任務賦能服務，包括有效載荷交付、通信和操作服務等。在這一過程中，歐空局將利用並進一步培育現有的商業方案，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，該任務將探訪並評估月球上的潛在資源，為未來可能用於開採這些資源的技術做準備。PROSPECT將在月球南極附近的月表下進行鑽探，提取可能含有水冰和其他可能在極低溫度下凍結的化學物質的樣本。然後，鑽頭將把樣本送到一個化學實驗室，在那裡對樣本進行加熱，以提取化學物質。這次任務將作為俄羅斯領導的“月球-27”（Luna-27）任務的一部分，並將測試未來可能應用於地外資源開採的過程。
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築事務所在內的工業界夥伴正與歐空局一道，測試利用月壤進行3D打印的可行性。
2019年5月，歐空局發布了“空間資源戰略”（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。該戰略着眼於人類需要發現和發展什麼樣的技術，以支持可持續的太空探索。該戰略涵蓋的時間範圍到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，關鍵的技術也將被開發和展示出來，並將確定將其納入國際任務架構的計劃。該戰略公布后，歐空局主辦了一個研討會，以確定實現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出最有利用價值的合金，並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運行的“試點工廠”，第一個技術示範計劃在本世紀20年代中期進行。
這一領域的其他太空機構在做什麼？
美國國家航空航天局（NASA）的月球勘測軌道飛行器已經探明，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星（LCROSS）在2009年10月9日撞擊月球，產生了16千米高的塵埃羽流。科學家經過觀察和分析后，確定了月球表面的化學成分，表明水的確存在於月球上。
NASA還在開發多項將造訪月球的立方衛星軌道任務，如“月球手電筒”（Lunar Flashlight）、“月球地圖”（LunaH-MAP）和“月球冰立方”（Lunar IceCube）等，這些任務將致力於發現月球上有多少水冰，以及在哪裡可以找到水冰。
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氧氣和金屬。
NASA的第一個火星着陸器“海盜號”發回了有關火星大氣的重要數據，揭示了火星大氣中95.9%的成分為二氧化碳。基於這一發現和後續探測任務傳回的信息，NASA已經開發出了將火星大氣中的二氧化碳轉化為氧氣的技術，這將有利於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。
揮發物是一種容易蒸發的物質，有可能成為月球上的水源。NASA正在與其他空間機構一道，協調對月球極地揮發物探測的國際合作，以確定揮發物作為潛在資源的可行性，並試圖將月球作為火星ISRU技術的試驗場。
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年代初建成一個用於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進行測量，重點關注那裡可能發現的低溫揮發性物質。
目前，研究者已經提出了許多想法，為定居點、移動基礎設施（如道路和着陸平台）、輔助基礎設施（如通信、能源生產和儲存）和硬件（如工具、室內設備、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、用月壤製造太陽能電池，以及優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，利用月壤建造有利於作物生長的溫室，以及利用太空垃圾建造基礎設施的方法。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實。
提交給歐空局開放空間創新平台（OSIP）的一個想法提出，軌道碎片可以用於在月球上就地生產資源。
隨着我們對月球和小行星的認識和了解逐漸提高，國際和私營機構更多地參與空間技術，以及新技術的出現，利用空間資源進行外星探索的可能性已觸手可及。
當然，開發利用就地資源支持未來宇航員的技術和方法仍然是一項挑戰，但在克服這項挑戰的過程中，相關的技術需求和管理有限資源的新方法也會刺激地球上的創新。這或許將幫助我們找到應對全球挑戰的新方法，並為地球工業帶來中長期的經濟回報。