天馬行空開腦洞 看看NASA投資這些遠景技術概念
據NASA官網報道，美國宇航局（NASA）正在投資有遠見的技術概念，包括流星撞擊探測、太空望遠鏡群以及細小軌道碎片測繪技術，這些技術將來可能被用於未來的太空探索任務中。美國宇航局已經選出25個還處於早期的技術方案，它們有潛力改變未來人類和機器人的勘探任務，引進新的勘探能力，並顯著改進目前建造和操作航天系統的方法。
2018年美國宇航局創新先進概念(NIAC)第一階段涵蓋了廣泛的創新概念，它們將為未來的太空探索帶來革命性的變化。第一階段的獎金約為12.5萬美元，主要支持對這些概念的初步定義和分析。如果這些基本的可行性研究取得成功，獲獎者可以申請第二階段獎金。
美國宇航局太空技術任務理事會的代理副署長吉姆·魯特（Jim Reuter）說：「NIAC項目給了美國宇航局去探索有遠見想法的機會，這些想法可以通過創造更好的或全新概念來改變未來的NASA任務，同時讓美國的創新者和企業家們成為旅程中的夥伴。然後，我們可以評估這些概念，以便將其納入我們早期的技術組合中。」
入選2018年NIAC第一階段的重要概念如下：
1.變形金剛（Shapeshifter）：從科幻小說成為科學事實，可探測土衛六的崎嶇懸崖和深海世界
變形金剛是全新的系統概念，適用於進入有大氣環境的天體。這個機器人平台能夠跨領域移動，包括在大氣層中飛行，在光滑的表面上滾動，在水面上航行(洞穴)，漂浮在湖面上，或在水下推進。變形金剛個能夠飛行的兩棲機器人(FAR)。它由更小的機器人單位(每個被稱為cobot)組成，結合成不同的移動模式。每個cobot都非常簡單，最小的設計甚至只有幾個螺旋槳作為執行器。
變形金剛可以變形為一個在水面上滾動的球，可以在水面上飛行和懸浮的飛行陣列，可以在水下空隙中移動的魚雷結構。除了跨領域移動，變形金剛還可以轉換成其他功能性系統來執行各種各樣的任務，比如幫助運送巨大而沉重的物體，用最小的功耗穿越長距離，在難以進入的區域與地面建立通信網路等。
2.生物機器人（Biobot）：為更有效探索而創新的宇航員輔助設備
在為行星探索而設計的宇航服中，沒有任何參數比「背部重量」更重要。宇航服系統的重量必須由穿戴者在月球或火星重力環境下支撐。宇航服和攜帶型生命維持系統(PLSS)的重量增加會影響穿戴者的運動水平，並最終限制了艙外活動（EVA）的持續時間，徒步行走的距離，以及探索任務取得的成果。很明顯，如果宇航員不需要攜帶PLSS維持生命維持功能，行星表面的探測活動將會大大改善。與此同時，對人員機動性、進入和操作能力的額外限制將是不可接受的。
這個NIAC概念是通過應用先進的機器人系統來處理宇航員的生物需求，以解決這兩個看似矛盾的問題。這一概念的設計參考場景是，參與未來月球或火星探測的宇航員將在月球表面停留數周或數月時間，而不是幾天，並將參與常規的艙外活動操作。地質學家每星期都要花幾天時間在艙外活動，在漫長的任務期間進行勘探，這並非不不可能，因為他們的目標遠大於阿波羅登月任務。在這種情況下，每個宇航員將會有個生物機器人跟隨，它將運送他們的生命維持系統和消耗品，通過延伸的臍帶與宇航員相連。
宇航員將通過臍帶連接到機器人，只攜帶小型的緊急開環生命支持系統即可，類似於每個PLSS中所包含的東西。機器人的移動底座將被設計成能夠在宇航員行走的任何地方旅行，而且還可充當艙外活動工具、科學儀器和採集樣本的運輸工具，並有可能帶著宇航員跳躍式行進。在未來的探索任務中，這種系統也將顯著增強公眾參與，因為機器人可以提供高解析度的攝像頭和高帶寬的通信設備，為每個艙外活動的機組人員提供高清晰度的視頻覆蓋。
這一概念也有架構級的好處。例如，由於PLSS的負荷，為了使宇航服的重量減少到最小值，設計元素會經常被刪除，從而造出更輕但更不靈活的外套。通過把生命維持系統和消耗品交給生物機器人，相對較輕的宇航服質量將增加機動性和易適應性，讓穿戴著更加靈活。由於PLSS重量限制減輕，整個艙外活動系統可以很容易地適應更頻繁的出行，更高容量的宇航員冷卻系統，或更高水平的冗餘以提高人員的安全，減少危險事件發生的可能性。當不再局限於太空服的質量和體積限制時，攜帶型生命支持設計師可以考慮更適合於擴展探索的技術方案，如冷卻散熱器、擴展電力的太陽能電池板或可再生的二氧化碳洗滌系統。
3.高空環境和大氣金星感測器(LEAVES)
LEAVES概念是一種超輕質的、被動的、廉價的大氣感測器，它的設計是為了抵禦惡劣的金星大氣，但它也提供了一個通用平台，可以對任何有明顯大氣的行星進行現場取樣。相比傳統方法，LEAVES需要非常少的基礎設施。
任務科學目標是通過在廣泛的地理區域部署許多相同的LEAVES單位來實現，通過可重複使用的生產線和可利用的部件實現成本節約的目的，並通過並行操作增加業務彈性。此外，這種結構非常適合作為輔助負載，因為它需要很少的地面站點控制資源，對主要有效負載的風險很小，並且只在它們緩慢下降通過大氣層的過程中反饋數據。
4.探索小行星流星撞擊檢測
小行星含有豐富的資源，包括水和可以提取的貴金屬。在接下來的幾十年里，我們很可能有技術能力來檢索小行星，並將它們帶到靠近地球的處理設施上，或者將處理設施發送到小行星上以現場提取資源。然而，完成這兩項任務都需要大量的投資。探索小行星流星撞擊檢測(MIDEA)的概念是，利用自然太空環境提供流星撞擊，從而導致小行星表面的物質受到侵蝕。
由流星撞擊所產生的物質包括固體和熔融噴出物，但其中有些物質被蒸發和電離，形成等離子體，擴展到小行星周圍的環境中。這種等離子體向外擴展，並提供有關小行星表面組成的信息。MIDEA可以使用10到50公斤的航天器母船，攜帶10個或更少的自由飛行感測器，每個大約重100克，對直徑100到1000米的近地小行星(NEA)進行檢測。在如此低的質量範圍內，許多類似任務可以針對不同的小行星平行發射，在專門的就地資源利用(ISRU)任務之前對潛在目標進行廣泛的調查。
5.無碰撞細小軌道碎片測繪
我們建議評估細小(微米到亞厘米級)軌道碎片的可行性，使用裝有感測器的立方體衛星來檢測碎片的等離子體特徵。這些細小碎片目前是無法探測到的，但它們對太空船構成了危險。最近發現的等離子孤子是由等離子體中快速移動的帶電碎片引起的，它可以通過立方體衛星上的簡單感測器來測繪出來。這種技術將使我們與細小軌道碎片的相互作用發生革命性變化，減小其對軌道航天器的威脅，並對緩解措施進行定量評估。
此外，該技術可能適用於其他行星目標附近的塵埃探測工作。初步計算表明，在不到1年的時間內，在400千米到1600千米高空軌道上的細小碎片可以使用100個立方體衛星測繪完畢。我們建議通過模擬不同速度和電荷的樣品碎片物體所產生的等離子孤子，以及通過空間變化的等離子體環境遠距離傳播孤子，來評估這一概念的可行性。此外，我們還將開發用於探測等離子體孤子來繪製細小碎片的立方體衛星的初步設計。
6.火星蜜蜂，用於增強火星探測
這項工作的目的是通過調查在火星環境中部署撲翼探測器的可行性，來增強火星探索和科學任務。這個火星探測器由移動基地和火星蜜蜂（Marsbee）群組成。這些蜜蜂是一種扇動翅膀的機器人，與蟬的大小差不多。火星蜜蜂中集成了感測器和無線通信設備，移動基地可以作為充電站和主要通信中心。蜂群可以顯著增強火星探測任務，並有以下好處：1)促進可重構感測器網路；2)建立彈性系統；3）可利用單一蜜蜂或蜂群採集樣本或數據。
關鍵的技術革新包括使用昆蟲式的柔性翼來增強空氣動力和低功率設計。通過適當借用昆蟲生物飛行系統與火星動態環境，可以實現高升力係數。我們初步的數值結果表明，帶有蟬翅的火星蜜蜂可以在火星大氣中產生足夠的升力。此外，利用柔性翼結構和創新的能量收集機制，將大大減少火星蜜蜂所需要的能量。由於火星密度極低，能量由慣性功率控制。在翼根上安裝一個扭轉彈簧，以暫時儲存能量，並減少共振時的整體慣性力。雖然旋轉翼的概念在設計和控制上都更加成熟，但這兩項創新特別適合於生物激發的撲翼飛行器。
從系統工程的角度來看，火星蜜蜂比傳統的航空系統有更多好處。較小的體積提供了更多的靈活性。另外，即使單個系統失敗也不會影響整體效果。由於其體積相對較小，需要對系統進行測試，因此可以在各種可訪問的測試設備中進行驗證。這項技術結合了美國和日本的專業知識和人才，在一個多學科項目中解決了在火星大氣中撲翼飛行的基本問題。阿拉巴馬大學將對火星大氣狀況進行數值模擬、分析和優化。而日本團隊將開發和測試一個微型撲動機器人，它是為火星上的低密度大氣設計和建造的。
7.星際任務無衍射發射推進PROCSIMA
這是一種全新的、創新的光束推進結構，它可以使前往比鄰星(Proxima Centauri)的星際任務成為現實。這一結構大大增加了航天器加速的距離(與激光推進相比)，同時將發射機的光束尺寸減小到10米以下。這些優勢轉化為「方向和速度的變化」(delta-V)和有效載荷質量，比激光推進強大得多。這個推進架構主要是面向星際飛行任務，也可能使前往奧爾特雲天體的速度更快。這個推進概念的關鍵創新是將中性粒子束和激光束結合在一起，這種方式既不會讓光束擴散也不會隨著傳播距離而發散。
通過調整激光和粒子束的相互交互，可以消除衍射和熱擴散，這樣(1)粒子束產生的折射率變化生成波導效應(從而消除激光衍射)和(2)粒子束被困在激光束中心附近區域的高強度電場中。通過同時利用這些現象，我們可以產生一種具有恆定空間剖面的組合光束，也稱為孤子。因此，這個體系結構被命名為PROCSIMA:光子粒子光學耦合孤子星際任務加速器。與繞射激光束相比，PROCSIMA體系結構增加了探測加速距離，使其在42年的任務中有效載荷能力達到1公斤。PROCSIMA架構利用了近年來高能激光系統和高能中性粒子束的技術進步。
8.麻雀（SPARROW）：蒸汽驅動的海洋世界自動檢索機器人
這是對推進跳躍機器人在冰冷、崎嶇的海洋世界中實現高科學價值目標能力進行的新研究。跳躍模式的使用可以進行長距離的快速穿越，使單個任務能夠在特定時間範圍內到達多個地質單元，從而在惡劣的輻射環境中使系統得以生存下來。此外，使用推進跳躍技術可以消除地形的限制。這個概念的具體目標將通過世界領先的機器人、推進、樣本採集工程師，以及來自噴氣推進實驗室、普渡大學和Honeybee Robotics的行星科學家通過跨學科合作來完成。
9.芭蕾舞（BALLET）：用於極端地形的氣球運動
這個概念實際上是個氣球平台，每個裝有6個懸掛模塊，每個模塊包含一個有效載荷，也可作為移動的腳。每隻腳被3根纜繩懸掛在氣球上，以控制腳在地面上的位置。只有一個有效載荷被舉起來移動到地面上的新位置，而其餘的腳則保持氣球固定在地面上。氣球浮力只需要每次提升1英尺，腳按順序在地表移動。這個平台高度穩定，因為它的重心幾乎都在地面上。氣球上的攝像頭圖像可被用來繪圖，並用來定位腳的位置和導航。
10.能夠生長的外星表面結構
美國宇航局設想一種由輕型纖維材料製成的、具有優良機械性能的自我定位棲息地。這種材料可在乾燥、潮濕、寒冷的地方使用，或者作為一種自產複合材料，能夠增強輻射防護和蒸汽密封。它可以自我複製，因此棲息地可以不斷擴展，並自我修復。這種材料的某種形式可以用於在外星建造棲息地、額外建築物、探測器外殼和傢具。纖維材料是真菌菌絲，已經商業化生產的菌絲材料是已知很好的絕緣體，阻燃劑，不會產生有毒氣體。這些材料的壓縮強度優於木材，彎曲度優於鋼筋混凝土，絕緣性能超棒。
由於菌絲通常會分泌酶，所以有可能通過生物工程技術使其分泌其他物質，如生物塑料或乳膠，以形成生物合成物。菌絲的彈性和韌性要比岩屑更強。它可以作為一種獨立材料使用，或與凝集或燒結的岩屑結合，這種黴菌結構的建築包膜可以顯著降低建築所需的能量，因為在存在食物儲備和水的情況下，它會自行生長。在人類到達後，還可以通過生產任務產生的有機廢物來增加額外的結構。富含黑色素的真菌具有吸收放射性物質的能力，這表明真菌菌絲可以提供輻射保護。
在風化層中發現的鉛，或其他阻擋輻射的物質，例如水，可以在菌絲中積累，從而提供額外的輻射保護。在受到保護的時候，這些真菌可以有很長的壽命，但在生命周期的末期，這種材料可以成為農業肥料。菌絲和原料在加熱情況下，可以加速生長。當原料被消耗，熱量被提取或菌絲被熱殺死時，菌絲生長將停止。如果需要對結構進行增補或修復，可以添加水、熱量和原料，以恢復休眠真菌的生長。如果能夠成功地開發出一種能夠自行生長的生物複合材料，NASA將會有一種全新的、更便宜、更輕巧的材料，用於為長期的月球任務、火星任務。
NIAC項目主管詹森·德勒斯(Jason Derleth)說：「2018年第一階段的競爭特別激烈，超過230個提案，但只有25個贏家。我迫不及待地想看看新的NIAC研究員能為NASA做些什麼!」
第二階段的研究讓獲獎人員有時間完善他們的設計，並探索實施新技術的各個方面。今年的第二階段投資組合涉及到一系列前沿概念，包括用於星際任務的突破性推進結構、大型空間望遠鏡、海衛一的新型探測工具以及馬赫效應推力器。NIAC二期項目的獎金可達50萬美元，為期兩年，並允許申請人進一步開發第一階段概念，成功演示初始可行性和效益。
美國宇航局通過評估創新和技術可行性的同行評審過程來選擇這些項目。所有的項目仍處於開發的早期階段，大多數項目需要10年或更長時間的概念成熟和技術開發階段，然後才能用於NASA任務。NIAC與來自全美各地有遠見的科學家、工程師和公民發明家合作，幫助維護美國在太空領域的領導地位。NIAC由美國宇航局下屬太空技術任務局資助，該部門負責開發該機構所需的各種開拓性新技術和能力，以幫助實現其當前和未來任務。
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