让我们在月球或火星上生产燃料吧！_风闻

原创：牧夫天文

综合编译：毛明远，饶世豪，雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡，李子琦

责任编辑：毛明远

封面图片：1972年，宇航员Eugene Cernan在月球上行驶

Credit: NASA JSC

航天器的探索任务很大程度上受制于推进器技术，我们想方设法设计可靠的、经济的和有足够推力的运载火箭。1969年，人类实现了登月的里程碑式太空探索任务，重型火箭土星五号功不可没。2018年，SpaceX的重型猎鹰成功试射，人类重返月球的脚步越来越近，这种可回收重复利用的新型火箭体现了新时代人们的理念。但即使有重型猎鹰，它仍无法胜任载人火星探索任务。提高运力、携带充足燃料的常规路径就像是一个死胡同，如何在太空中获取并使用资源是人类太空探索必不可少的关键技术！我们将这一技术称为原位资源利用(In-situ resource utilization or ISRU)。

科技之美——SpaceX重型猎鹰渲染图

Credit: SpaceX

最新进展

美国宇航局向4家航空航天公司提供总计1740万美元的资金，用于开发在月球和火星上生产燃料的技术。4家公司分别是：杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)的蓝色起源(Blue origin)、埃隆·马斯克(Elon Musk)的SpaceX、一家位于犹他州的清洁能源公司OxEon Energy以及一家专注于压缩获取重复利用气体的科技公司Skyre。这些公司将在美国宇航局的资助下研究如何利用月球和火星物质生产推进器燃料。

这4家公司会优先利用存在于月球和火星上的水冰来生产氢气和氧气。蓝色起源公司的任务是将氢气和氧气液化并用做推进器燃料；OxEon

Energy将和科罗拉多矿业学院合作研究高效的电解技术，将水冰分解为氢气和氧气。液化的氢气和氧气将作为航天器返回地球的燃料。而Skyre公司将研究一套系统有效地利用冰冻状态的水，特别是在月球的极地高寒地区，包括在低温状态下直接分离氢和氧，并且利用氢实现氧液化(氢的熔点和沸点均比氧低)。SpaceX公司将集中精力研究喷嘴，用于不同航天器加注燃料，这项技术也将用于它们的新航天器Starship。然而，这项技术对于大型航天器来说非常重要，它将和美国宇航局的马歇尔太空飞行中心合作开发。

与此同时，美国宇航局还投入巨资研究未来的探测车，来探索像木星卫星欧罗巴等太阳系的地外天体，这些技术共同支撑着未来探索宇宙的愿景。

《火星救援》剧照

Credit: 电影截图

电解？

有读者提出疑问，如果将电解水的产物作为燃料，那电哪里来？为何不直接利用电？确实目前有在研究“太阳帆”技术，并且太空已有实验中的太阳帆，它们直接利用太阳光子的动量，但这种推力非常小，需要设计非常大的帆来汇聚更多光子的动量。而现有技术将光能转化为电能的技术非常成熟，早已广泛应用于航天器和探测车上。电能可以让探测车在地外天体上行驶，也可以让探测器在地外天体飞行（取决于大气密度 、引力等因素），但尚不能应用于火箭，特别是在真空的太空中，火箭需要喷射工质获得动能。

SpaceX重型猎鹰是现役火箭中最强大的

Credit: SpaceX

水？

电解水的反应是初中化学水平，需要这样兴师动众搞研究吗？在月球和火星上真不简单，一是因为月球和火星上的水资源并不像地球这么丰富，很多情况应该被描述为含有水；二是整套系统的效率问题，如何在适当的时间内生产出火箭需要的燃料。水和电解出的氧气本身也是宇航员的生命物资。

月球上的水

月球的表面上不存在液态水，水蒸气也会被阳光分解，氢很快就流失到外层空间。然而，科学家们自从上世纪六十年代起，就推测在月球从不会被太阳照射的地方，比如月球南北极区域的环形山就提供了这样的条件，长期的低温保证了水分不会流失，即以水冰的形式存在着。2009年9月24日，Science杂志报道了印度月船一号搭载的月球地质测绘仪（Moon Mineralogy Mapper，NASA的设备，简称M3）探测了水存在的迹象；2018年8月，喷气推进实验室（JPL）公布已证实月球水冰的存在。

上图是2009年M3探测到的水分子存在迹象，右侧蓝色部分代表有水分子吸收线的区域。由于水分子太稀薄，相较于地球，月球上最潮湿的地方含水量也不如地球最干旱的地方多。科学家研究月球上的水是否在一个月亮日内有显著的波动，如果是的话，太阳风带来的氢与月球上的氧作用会在月面形成一层仅有几个分子厚度的水分子层，从而产生有水存在的信号，但这并不是科学家们想要寻找的月球水冰。

Credit：NASA

因此直到2018年，科学家们才确定月球水冰的存在。下图展示了M3探测到的月球水冰分布，左图代表月球南极，右图代表北极，颜色越暗的地方温度越低。可以看出，月球表面的水冰主要集中在火山口背光处，由于月球极低的自转倾角，阳光极少到达这些地方。尽管这些月球水冰厚度最高也在几毫米量级，月球表面的水冰比起地下水，或许更容易被开采利用。

Credit: NASA

火星上的水

一直以来，科学家们都认为火星的两极会有冰层存在，而在冰层下或许会有少量液态水的存在。即使之前一直有这样的猜测，最近发现的火星南极冰层下的一个直径长达20公里的液态湖是唯一一个火星表面存在稳定液态水的证据。

同样，NASA的“好奇号”探索车在火星表面发现了干涸的河床，进一步证明了水曾以液态的形式存在。导致液态水流失的主要原因是行星稀薄的、无法储存热量的大气层，并且低温使得大部分水只能以水冰的形式储存。

如下图所示，科学家利用雷达设备对火星的地表和浅层的地层发射信号，并通过反弹回来的信号辨认地质结构。顶部连续的白线代表着南极的沉淀物由水冰和尘土构成。除去这个发现，在冰层1.5公里下，科学家们发现了浅蓝色的反弹信号，这是地下存在液态水的一个信号。

Credit: NASA

结语

地外天体远不止月球和火星有水，并且地外天体上可以利用的资源也远不止水冰！方法总比问题多，不久的将来我们以全新的技术重返月球、站在火星上，并建立基地。

编译参考材料：

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2019/10/03/moon-fuel-nasa-award/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A%20DiscoverTopStories%20%28Discover%20Top%20Stories%29#.XaKYzi17HRY

https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_water ; 

https://apod.nasa.gov/apod/ap090928.html ; 

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7218

『天文时刻』 牧夫出品

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