NASA部署16项未来太空技术：月球悬浮铁道和火星洞穴机器人

为了实现以上运输需求，我们建议在月球表面建造柔性膜悬浮铁道（FLOAT），FLOAT系统使用无动力磁性机械装置悬浮在3层柔性薄膜轨道之上：石墨层薄膜能使机械装置基于反磁性悬浮力被动地漂浮在轨道上方，柔性电路层产生电磁推力控制机械装置沿着铁轨运行；位于底部的太阳能薄膜，在太阳光线照射下可产生电能。FLOAT悬浮系统没有运动部件，一直悬浮在轨道之上，从而减少月球灰尘的磨损，该系统不像是月球登陆车有轮子或者支架。

FLOAT系统能在尘土飞扬、不适宜居住的月球环境中自动运行，并且保持最小场地准备，其轨道网络可以随时间推移卷起或者重新部署，以适应不断变化的月球基地任务要求。

2、传感功能独立微型游泳机器人（SWIM）

设计者：伊桑·沙勒，美国宇航局喷气推进实验室

未来几十年的太空探索将聚焦于地外海洋星球，尤其是土卫二、木卫二和土卫六，这些星球的液态海洋位于数千米厚的冰壳之下，是地球之外最有可能孕育生命的地方。为了抵达这些地外海洋世界，美国宇航局正在开发和完善许多进入海洋的任务概念，其中包括：“探索木卫二地下海洋（SESAME）”等级的热机械钻探机器人，我们建议研发“传感功能独立微型游泳机器人（SWIM）”，这将极大扩展微型体积海洋探测机器人的任务能力，并极大地增强探测可居住性、生物标志物及生命证据的可能性。

SWIM系统包括厘米等级、3D打印可游泳的微型机器人，其装配着微电子系统（MEMS）传感器，由微型致动器驱动，采用超声波无线遥控。微型游泳机器人可以独立部署，也可以从单个SESAME机器人载体上部署，一旦它到达或者锚定海洋-冰层交界区，其灵活性将受到限制。SWIM机器人能扩大海洋采集范围，能力远超出SESAME机器人，从而增大了探测到地外海洋生命迹象的可能性。同时，该机器人还能获得科研工作所需的海洋属性、宜居性指标和潜在生物标记的时间和空间分布测量（单个机器人不可能实现）。这些能力将使科学家在美国宇航局首次地外海洋勘测中更好地描述和理解海洋成分及生命宜居性。

3、被动扩展偶极子阵列月球探测仪（PEDALS）

帕特里克·麦克高瑞，美国宇航局喷气推进实验室

理解类地行星地下组成和结构是揭晓其地质历史演变的关键，其中包括：地壳分化、火山作用、沉积作用、盆地形成和挥发性运输和聚集。通常采用的地下探测设备是雷达，它可以通过基于地球的双基站、轨道或者表面结构来实现，在每种情况下，合并雷达仪器的任务操作天线都具有固定共振频率，通常限制在一个或者两个工作频带。目前，火星轨道设备MARSIS在迄今所有轨道探测雷达中具有最大天线（40米），它可提供千米等级的穿透勘测和全球覆盖范围，但由于信噪比较低、分辨率较低、表面反射模糊等原因，导致勘测数据失真度较高。考虑到使用单一、固定长度偶极天线产生的频带有限性，我们建议采用被动扩展偶极子阵列月球探测仪（PEDALS），它包含一系列离散偶极天线，通过特殊组成和短偶极耦合扩展到更大的区域，通过频率和深度变换能有效提高分辨率。PEDALS的关键创新之处在于其独特能力，可以从不同的空间位置测量广泛而连续的深度范围，这是之前探地雷达装置无法实现的。PEDALS利用形状记忆材料被动展开4个系绳，并计划在未来各种月球勘测任务中使用。驱动PEDALS任务的关键科学目标包括对比地壳厚度从而理解地壳结构的深度，以及测量表面风化层挥发物分布，探测地下空洞等。

4、太阳系驿马快信系统

约书亚·范德·霍克，美国宇航局喷气推进实验室

太阳系驿马快信系统是一个全球性、多光谱、高分辨率的行星探测系统，通过周期卫星网络的定期访问来获取千万亿位字节数据，然后传输到地球。这些“信使”卫星使用光学通信每年至少接收一次该测量系统1-3千万亿字节的数据，之后卫星将朝向地球方向运行，近距离快速传输数据。通过利用周期轨道，该系统仅需要最小的机载推进力，并可以作为深空网络的扩展和人类探索后勤网络的先驱运行几十年时间。

5、支持早期地外行星着陆及操作的风化层自适应修正系统

萨巴吉特·班纳吉，美国德克萨斯州农工工程实验站5

“风化层自适应修正系统（RAMs）”是为选择性加固和融合月球表面天然材料而设计的，目前这一概念是从美国宇航局创新先进概念（NIAC）提案中衍生而来，该提案专注于柔性轻型着陆平台设计。目前的月球风化层改造研究主要集中在使用基于大量现有成功技术，例如：烧结和地质聚合技术。相比之下，风化层自适应修正系统特别适合在早期着陆时支持部署工作，但也可以用于月球和火星定居点建成后进行更成熟的建设活动。而不是将所有材料、设备和电源用于固定月球表面风化层，进行灰尘控制、折叠着陆垫、固定登陆垫或者铺设通道等功能性维持工作。RAMs使用奇特的微胶囊运载系统，能够送递纳米铝热剂混合物和有机硅烷使点焊锚点与表面底部风化层固定在一起，同时采用先进的高强度钢钉进行加固。

该系统还提供额外的地下风化层稳定剂，这些物质植入土壤深处，并被初始放热反应激活，从而形成一层连续的铝热剂熔合和地质聚合风化层，构建了一道屏障，提供了额外的承载能力。因此，除尘和承载是通过反应/凝固化学和物理网格屏障来实现的。

6、通过SCATTER探索天王星

西格西德·克洛塞，美国斯坦福大学

“发射电磁辐射持续立方体卫星勘测活动（SCATTER）”研究飞船通过研究激光器发射器释放能量和远程操控小型探测航天器的能力，可使飞船在前往天王星的长时间深空任务中间歇性部署探测器，在那里仅使用光伏和电池电源是不可行的，基于立方体卫星的勘测活动，可使科学家通过单个探索任务来增强科学测量，例如：磁场梯度，从而更好地了解天王星这颗冰巨星，该行星是太阳系内很少被勘测的行星之一。

7、电弧烧蚀开采的就地资源利用

艾米莉亚·格雷格，美国德克萨斯大学

伴随着近年来太空探索不断扩展，例如：人类对太阳系其他天体表面的探索，非常有必要进行就地资源利用（ISRU）从当地资源中获取水、建筑材料和推进剂，如何制造水是执行太空任务短期内最关键的成分，因此是许多研究的重点方向。然而，能够采用相同的系统开采其他资源在未来将变得至关重要。因此，一个运行良好的采矿系统应当包括水资源开采和收集，同时也应该尽可能多地采集其他当地材料。使用电弧烧蚀表面材料会产生自由电离粒子，这些粒子可以按质量分类成物质群，并通过电磁场输送到相关的收集器，每种材料类型的收集器可以并行使用，以实现最大收集效率和贮藏条件。

电离烧蚀弧、电磁传输、分类筛选以及收集模块都集中放置在一个可移动表面履带牵引装置中，能为人类太空探索活动提供多样化、高效率和广泛覆盖的原位资源利用。通过使用电弧烧蚀和电离风化岩颗粒，运输和采集这些挥发物比依赖热采矿技术采集随机样本更易于操控。这将大幅增加颗粒采集的速度，并减少了非预期表面的冷凝损失，使用磁场来分离挥发物将很容易地分类筛选任何风化层成分，例如：水和金属离子。

8、部署千米等级的太空结构

扎克利·曼彻斯特，卡内基梅隆大学

长期太空飞行将给人体带来严重的挑战，其中包括：肌肉萎缩、骨质疏松、视力下降、抑制免疫力等，这些影响都与缺乏重力有关，自人类最初实现太空探索以来，就一直期望着能在太空栖息地形成重力环境，科幻小说中曾提出旋转太空基地能产生人造重力作用。然而，旋转太空基地产生的人造重力会对人体造成诸多不良反应，当人体长期暴露在每分钟几次旋转的转速下，人体会感到不适和眩晕，为了在1-2RPM（每分钟转数）的转速下产生接近1g的人造重力环境，需要一种千米等级的太空结构。为了解决该问题，我们将利用机械超材料取得的最新进展，设计一种轻质量部署结构，膨胀率达到150倍以上。像这样的结构可部署在猎鹰重型火箭整流罩中，在太空轨道上进行伸展，达到长度1千米以上的最终尺寸，而不需要复杂的在轨组装或者制造，我们的研究将适用于类似“月球轨道空间站”的概念设计，1千米以上等级的可扩展结构将成为大型旋转太空站主干部分。

9、自主深井钻孔机器人

奎因·莫理，行星企业公司

现在人们相信火星存在地下液态水，位于南极层状沉积物（SPLD）下方1.5千米深处，美国宇航局艾姆斯研究中心资深科学家克里斯·麦凯称，如果我们要研究天体生物学，不仅需要看到它，我们还需要获得一部分样本，因为我们有必要对火星等地外星球进行深度钻探。此外，2019年一份后续报告指出，如果地壳之下火山活动产生热量使液态水成为可能，那么该地层和冰下湖泊很可能孕育地外生命。此前南极层状沉积物是火星最具科学探索意义的区域之一，它见证了40亿年前大气和气候变化，目前科学家还没有做好充分准备，利用深层钻探系统完成此项任务。

我们提出的是一种自动钻井系统，该系统将利用一个类似“毅力号”火星车类型的探测器作为钻机，该探测器将配备最少且适当的科学仪器，以及采用冗余度很高的钻井策略，该钻井策略不依赖电缆，相反，自给自足的机器人可以自动在钻井上下移动，这些机器人被称为“钻井机器人（borebots）”，长度大约1米。