讓我們在月球或火星上生產燃料吧！_風聞

原創：牧夫天文

綜合編譯：毛明遠，饒世豪，雷豐圖

校對：牧夫天文校對組

後期：庫特莉亞芙卡，李子琦

責任編輯：毛明遠

封面圖片：1972年，宇航員Eugene Cernan在月球上行駛

Credit: NASA JSC

航天器的探索任務很大程度上受制於推進器技術，我們想方設法設計可靠的、經濟的和有足夠推力的運載火箭。1969年，人類實現了登月的里程碑式太空探索任務，重型火箭土星五號功不可沒。2018年，SpaceX的重型獵鷹成功試射，人類重返月球的腳步越來越近，這種可回收重複利用的新型火箭體現了新時代人們的理念。但即使有重型獵鷹，它仍無法勝任載人火星探索任務。提高運力、攜帶充足燃料的常規路徑就像是一個死衚衕，如何在太空中獲取並使用資源是人類太空探索必不可少的關鍵技術！我們將這一技術稱為原位資源利用(In-situ resource utilization or ISRU)。

科技之美——SpaceX重型獵鷹渲染圖

Credit: SpaceX

最新進展

美國宇航局向4家航空航天公司提供總計1740萬美元的資金，用於開發在月球和火星上生產燃料的技術。4家公司分別是：傑夫·貝佐斯(Jeff Bezos)的藍色起源(Blue origin)、埃隆·馬斯克(Elon Musk)的SpaceX、一家位於猶他州的清潔能源公司OxEon Energy以及一家專注於壓縮獲取重複利用氣體的科技公司Skyre。這些公司將在美國宇航局的資助下研究如何利用月球和火星物質生產推進器燃料。

這4家公司會優先利用存在於月球和火星上的水冰來生產氫氣和氧氣。藍色起源公司的任務是將氫氣和氧氣液化並用做推進器燃料；OxEon

Energy將和科羅拉多礦業學院合作研究高效的電解技術，將水冰分解為氫氣和氧氣。液化的氫氣和氧氣將作為航天器返回地球的燃料。而Skyre公司將研究一套系統有效地利用冰凍狀態的水，特別是在月球的極地高寒地區，包括在低温狀態下直接分離氫和氧，並且利用氫實現氧液化(氫的熔點和沸點均比氧低)。SpaceX公司將集中精力研究噴嘴，用於不同航天器加註燃料，這項技術也將用於它們的新航天器Starship。然而，這項技術對於大型航天器來説非常重要，它將和美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心合作開發。

與此同時，美國宇航局還投入巨資研究未來的探測車，來探索像木星衞星歐羅巴等太陽系的地外天體，這些技術共同支撐着未來探索宇宙的願景。

《火星救援》劇照

Credit: 電影截圖

電解？

有讀者提出疑問，如果將電解水的產物作為燃料，那電哪裏來？為何不直接利用電？確實目前有在研究“太陽帆”技術，並且太空已有實驗中的太陽帆，它們直接利用太陽光子的動量，但這種推力非常小，需要設計非常大的帆來匯聚更多光子的動量。而現有技術將光能轉化為電能的技術非常成熟，早已廣泛應用於航天器和探測車上。電能可以讓探測車在地外天體上行駛，也可以讓探測器在地外天體飛行（取決於大氣密度 、引力等因素），但尚不能應用於火箭，特別是在真空的太空中，火箭需要噴射工質獲得動能。

SpaceX重型獵鷹是現役火箭中最強大的

Credit: SpaceX

水？

電解水的反應是初中化學水平，需要這樣興師動眾搞研究嗎？在月球和火星上真不簡單，一是因為月球和火星上的水資源並不像地球這麼豐富，很多情況應該被描述為含有水；二是整套系統的效率問題，如何在適當的時間內生產出火箭需要的燃料。水和電解出的氧氣本身也是宇航員的生命物資。

月球上的水

月球的表面上不存在液態水，水蒸氣也會被陽光分解，氫很快就流失到外層空間。然而，科學家們自從上世紀六十年代起，就推測在月球從不會被太陽照射的地方，比如月球南北極區域的環形山就提供了這樣的條件，長期的低温保證了水分不會流失，即以水冰的形式存在着。2009年9月24日，Science雜誌報道了印度月船一號搭載的月球地質測繪儀（Moon Mineralogy Mapper，NASA的設備，簡稱M3）探測了水存在的跡象；2018年8月，噴氣推進實驗室（JPL）公佈已證實月球水冰的存在。

上圖是2009年M3探測到的水分子存在跡象，右側藍色部分代表有水分子吸收線的區域。由於水分子太稀薄，相較於地球，月球上最潮濕的地方含水量也不如地球最乾旱的地方多。科學家研究月球上的水是否在一個月亮日內有顯著的波動，如果是的話，太陽風帶來的氫與月球上的氧作用會在月面形成一層僅有幾個分子厚度的水分子層，從而產生有水存在的信號，但這並不是科學家們想要尋找的月球水冰。

Credit：NASA

因此直到2018年，科學家們才確定月球水冰的存在。下圖展示了M3探測到的月球水冰分佈，左圖代表月球南極，右圖代表北極，顏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處，由於月球極低的自轉傾角，陽光極少到達這些地方。儘管這些月球水冰厚度最高也在幾毫米量級，月球表面的水冰比起地下水，或許更容易被開採利用。

Credit: NASA

火星上的水

一直以來，科學家們都認為火星的兩極會有冰層存在，而在冰層下或許會有少量液態水的存在。即使之前一直有這樣的猜測，最近發現的火星南極冰層下的一個直徑長達20公里的液態湖是唯一一個火星表面存在穩定液態水的證據。

同樣，NASA的“好奇號”探索車在火星表面發現了乾涸的河牀，進一步證明了水曾以液態的形式存在。導致液態水流失的主要原因是行星稀薄的、無法儲存熱量的大氣層，並且低温使得大部分水只能以水冰的形式儲存。

如下圖所示，科學家利用雷達設備對火星的地表和淺層的地層發射信號，並通過反彈回來的信號辨認地質結構。頂部連續的白線代表着南極的沉澱物由水冰和塵土構成。除去這個發現，在冰層1.5公里下，科學家們發現了淺藍色的反彈信號，這是地下存在液態水的一個信號。

Credit: NASA

結語

地外天體遠不止月球和火星有水，並且地外天體上可以利用的資源也遠不止水冰！方法總比問題多，不久的將來我們以全新的技術重返月球、站在火星上，並建立基地。

編譯參考材料：

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

『天文時刻』 牧夫出品

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