NASA推出学生挑战赛，计划在月球上提取金属和建设3D打印基础设施

2022年8月28日，南极熊获悉，美国宇航局的重返月球计划——阿尔忒弥斯登月任务将在8.29号开始。此外，NASA航天局正计划在 2024 年12 月之前将团队派往月球南极。但完成这次登月将需要新技术来帮助工作人员度过难关。

月球上的环境极其恶劣：大气层稀少，没有防辐射保护措施，沙尘暴，极端温度介于 260 F(127 C) 和 -397 F (-238 C) 之间。因此，在设计这些即将到来的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，这也是人类考虑利用当地资源生存的主要原因。

美国宇航局的大创意挑战

为了推进适合月球微重力条件下的金属提取工艺，美国宇航局正在通过其年度突破、创新和改变游戏规则 (BIG) 创意挑战赛与大学合作。学生领导团队的目标是在月球上设计一条金属生产管道，包括从月球矿物中提取金属以及在现场创建结构和工具。通过最近宣布的这项倡议，美国宇航局希望推进阿尔忒弥斯计划的目标，即在月球表面建设供人类长久居住的栖息地。

△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。图片由 NASA/Ben Smegelsky 提供。

自从阿波罗17号宇航员尤金-塞尔南最后一次踏上月球，已经过去了半个世纪。然而，所有这一切都将在未来十年间发生变化，尽管风险很大。美国国家航空航天局（NASA）已经计划了多项任务，包括Artemis任务的两个无人驾驶阶段--Artemis I和Artemis II--在Artemis III上将人类安全发射到月球轨道前。

通过被称为“月球锻造挑战“2023年的大创意挑战赛（BIG Idea Challenge），美国宇航局邀请大学生解决太空探索所面临的一些最关键的需求，并帮助创建可能实现发现的任务能力。该挑战为与教师顾问合作的本科生和研究生提供机会，在一年半的时间里，在一个基于项目的计划中设计、开发和展示其技术。

此外，这项由美国宇航局资助的挑战赛为最多8个被选中的团队提供高达18万美元的开发奖，这些团队将有机会建立和展示他们的概念设计，并在2023年11月的高潮论坛上分享他们的研究和测试成果。

参加BIG Idea挑战赛的学生团队将获得开发创新的方法，从月球上发现的矿物，如钛铁矿和钙长石中提取和转换金属，以实现金属制造。

在月球上3D打印金属

金属是建筑结构、管道、电缆等的重要资源，主要是由于其强度和抗腐蚀性。然而，用于基础设施的金属材料很重，使其运输到轨道上非常昂贵。可能是近年来，由于SpaceX和Blue Origin等商业发射供应商的出现，将物体送入轨道变得更加实惠。今天发射一个航天器至少比几年前便宜十倍。例如，根据战略与国际研究中心的数据，在SpaceX猎鹰9号发射中搭载有效载荷（而不是预订整个任务），每磅到低地球轨道（LEO）的费用为2500美元。以前，搭车的价格会高得多。例如，在20世纪60年代，美国宇航局花费280亿美元让宇航员登陆月球，按通货膨胀调整后的美元计算，今天的成本相当于约2880亿美元。

言归正传，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使月球基地的基础设施可以使用增材制造（AM）在当地制造。所需的几个基本基础设施产品是液体和气体的存储容器、挤压件、管道、电力电缆和支持结构（如道路和着陆点）。

在评论新的挑战时，NASA空间技术任务局（STMD）内的技术成熟度主任Niki Werkheiser解释说："在国内，锻造金属长期以来一直是建设我们的家园和基础设施的一个关键部分，在我们努力实现在月球上的持续存在时也是如此。这项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寻找、加工和制造金属。"

根据NASA BIG Idea Challenge网站，各团队被邀请提交月球金属产品管道中任何一点所需的技术提案，包括但不限于金属探测、金属提炼、AM的成型材料，以及测试和鉴定在月球上使用的3D打印基础设施。

预计这些团队将在2022年9月30日之前提交一份不具约束力的意向书，并在四个月后提交一份书面建议和视频资料，说明他们的金属产品生产管道部分如何适合月球上的基础设施发展。团队还应该确定他们假设会有哪些系统来支持他们提出的概念，以及考虑纳入机制，以实现在月球上的高效运作，包括月球灰尘缓解、热管理和现实的电力考虑。

参赛团队必须有至少5名但不超过25名师生，这些师生来自与本州太空资助联盟（一个全国性的学院和大学网络）有关的美国学院和大学。然而，非空间资助联盟的学院和大学可以与空间资助联盟的机构合作，作为多大学和多学科的团队被鼓励。

美国宇航局STEM参与办公室的太空资助项目经理Tomas Gonzalez-Torres说："美国宇航局已经在考虑支持更长期的登月任务。这个大创意挑战赛的主题将大学团队与推动人类在月球和其他星球上的持续存在联系起来。这个主题超越了最初的Artemis任务，并开始处理一旦我们将人类送回月球后的任务规划需求。我们很高兴看到这些团队的发展。"

NASA 的 BIG IdeaChallenge 是Artemis 学生挑战赛之一，旨在让创新和高影响力的能力和技术成熟，以应对广泛的未来太空任务。