未来在月球上的宇航员将需要水,现在美国宇航局NASA设计了一种新的立方星航天器,用激光束在月球陨石坑中寻找冰。
艺术家创作的“月球手电筒”概念照。图为月球手电筒在月球南极附近的一个深不见底的陨星坑中寻找冰。(图源美国航空航天局)
美国航空航天局正在继续推进其阿尔忒弥斯项目。此项目计划于2024年前,将第一名女性航天员和第二名男性航天员送上月球南极。此次人类重返月球时,大概率将比二十世纪六十年代后期、七十年代早期时阿波罗对应体的停留时间更长,阿波罗任务时期,这个记录在75小时左右。
为了实现未来长期停留在月球上这一构想,月球宇航员可能会利用一些取自月球自身的自然资源,尤其是据说在2018年已经被证实存在于月球两极阴影很深的陨石坑中的水冰。这些冰可以被融化和净化用以提供作为饮用水;它可以被用来作为火箭燃料。进入月球手电筒——一个公文包大小的卫星,亦被称为立方星——预计发射时间是2021年,其具体的任务是探测月球阴影陨石坑中自然形成的表面冰。
在IEEE航空航天和电子杂志系统今年4月的期刊中,NASA的喷气推进实验室(JPL)发表了一篇新同行评议论文,详细介绍了这项最新的月球手电筒技术。
基本上来说,月球手电筒就像聚光灯一样工作,为了帮助科学家们寻找月球南极附近的冰,它用近红外激光束扫描地表并在月球表面闪烁。 美国宇航局戈达德太空飞行中心负责该任务的首席研究员Barbara Cohen在JPL中说:
在月球上最冷和最暗的陨石坑内存在冰虽然是一个很不错的想法,但先前的测量却有些模糊不精确。
从科学上来说这没关系,但是如果我们计划派宇航员到那里挖冰并饮用,我们必须确保它真实存在。
从上图可知:
月球手电筒是一颗非常小的卫星(约5 x 10 x 14英寸,或12×24×36厘米),由JPL开发并管理,将用于在月球南极区域搜索水冰并绘制分布位置。它将向NASA展示绿色推进、活性激光光谱等技术,同时将证实在立方星形状因子下进行行星科研的能力。月球手电筒是由NASA高级 探索 系统(AES)计划于2014年选定…它将是目前计划于2020年在阿尔忒弥斯1号上发射的13个次要荷载之一。
绕地飞行的宇宙飞船发现了水冰的存在,而月球手电筒则可以确定水冰的确切位置,从而让长期待在月球上的宇航员开采并为自己所用。这将是第一个利用激光探测水冰的太空任务。JPL月球手电筒项目的负责人约翰·贝克说:“像月球手电筒这样的高 科技 任务,成本更低,却填补了我们知识的空白,它帮助我们为NASA在月球上的长期工作做好准备,同时也能测试未来的探测任务所需要的关键技术。”
由于月球上几乎是没有空气的,这会导致月球表面在阳光照射的地方会非常热,而在黑暗中,其表面温度又会变的极其寒冷,特别是那些永久地处于极区阴影的陨石坑里的地方。在那些寒冷的地方,水冰分子可以在表面积聚并保持稳定。对此Cohen解释说:
“太阳光在陨石坑的地平线附近移动,但从未照进陨石坑里。由于这些陨石坑里太冷了,水冰分子永远无法获得足够的能量来逃脱,所以它们在数十亿年的时间里被困住并积聚起来。 ”
对于宇航员来说,如果未来他们希望留在月球上进行长期任务,甚至永久地留在月球基地,那么利用月球本身的资源就显得非常重要且是必需的,因为要不断地将水从地球运送到月球是很昂贵且不现实的,因此,利用月球自身的冰层的作为水资源是非常有意义的。
月球手电筒会将其激光束射入其中一些已知或怀疑存在冰的火山口(或陨石坑)中。这项工作将持续至少两个月,并将会非常准确地绘制出这些冰层的位置。
那么如何用月球手电筒识别冰呢?
立方星卫星探测器中有包含分光光度测量的四束光激光反射计,使用近红外波长的激光束,这些波长会被水冰吸收,但裸露的岩石会将它们简单反射回探测器。如果近红外波长在陨石坑中有大量的吸收,那将是广泛冰沉积的证据。这些发现可以与之前在月球上发现冰的其他轨道飞行器的发现进行比较。科恩说:
我们可以将月球手电筒的数据与我们从其他月球轨道任务中获得的大量数据进行比较,看看水冰的特征是否存在相关性,从而为我们提供一个关于表面冰分布的全球视图。月球手电筒也将是第一个使用“绿色能源”推进的行星立方体星任务,这种推进剂比大多数航天器所使用的联氨毒性更低,也更安全。
尽管月球上有冰这一现象听起来令人吃惊,但是对于科学家来说这并不值得惊讶。小行星和彗星上同样也有水结成的冰。信使号航天器甚至在2012年发现:相较于距离太阳更远的月球,水星的两极附近也存在冰。
在Artemis --1 运载火箭上还有其他两项任务将补充月球手电筒。月球icecube和Lunah-map将进行额外测量寻找月球南极上其他的冰和氢气。 三个飞行任务是相互协同的。他寻找在人类来临以前的自然条件水与冰。
像月球手电筒这样的任务,不仅会帮助美国航天局宇航员,继续 探索 月球而且能帮助我们在宇宙中最近的邻居-月球,能够长期生存。
一句话:美国国家航天宇航局设计了一种新的立方体卫星航天器,月球手电筒--用激光束来探测月球上的冰。
作者 :Paul Scott Anderson
FY :Astronomical volunteer team
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