麻省理工學(xué)院學(xué)生團隊在NASA競賽中摘得多項大獎

由麻省理工學(xué)院（MIT）八個不同院系及衛(wèi)斯理學(xué)院共35名學(xué)生組成的三支團隊，自2025年秋季起便開始著手設(shè)計月球基地所需的關(guān)鍵早期基礎(chǔ)設(shè)施。今年6月，他們的設(shè)計方案在NASA 2026年革命性航空航天系統(tǒng)概念學(xué)術(shù)聯(lián)接論壇（RASC-AL）上榮獲五項大獎。

在75份參賽方案和14支決賽團隊中，麻省理工學(xué)院的團隊分獲競賽第一、第二名，并斬獲三項主題最佳獎。月球綜合電力系統(tǒng)探索級方案（ECLIPSE）團隊榮獲總分第一名及月球表面電力主題類別第一名；通信與導(dǎo)航星座團隊MELIORA榮獲總分第二名及火星通信、定位導(dǎo)航與授時主題類別第一名，該方案還提出了在月球上驗證設(shè)計的策略；CHEESEBURGER團隊則憑借將月球風(fēng)化層開采加工為氧氣、金屬和磚塊的方案，榮獲月球技術(shù)演示主題類別第一名。

"NASA在今春向全世界宣布了即將建設(shè)的永久性月球基地所需的關(guān)鍵早期基礎(chǔ)設(shè)施。"航空航天系及系統(tǒng)設(shè)計與管理系研究科學(xué)家兼講師、三支團隊的聯(lián)合指導(dǎo)教師喬治·洛多斯表示，"超過30名麻省理工學(xué)院的學(xué)生在這學(xué)年里共同設(shè)計了月球基地的諸多核心系統(tǒng)——包括發(fā)電、儲能與配電系統(tǒng)，可靠的定位、導(dǎo)航與通信系統(tǒng)，以及利用月球本土資源實現(xiàn)可持續(xù)生活的早期技術(shù)實驗。"

應(yīng)對月夜與月冬的電力網(wǎng)絡(luò)

NASA月球基地面臨的最大挑戰(zhàn)是持續(xù)供電，一旦生命保障系統(tǒng)斷電，乘員將在數(shù)小時內(nèi)陷入危境。ECLIPSE提供了一套月球電網(wǎng)參考設(shè)計，可實現(xiàn)99.995%以上的運行時間——在最壞情況下，每年停機時間不超過27分鐘，達到地球上最關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心所要求的標準。該方案結(jié)合了兩種互補的電力來源：部署于南極附近陽光照射高地的一組20米高太陽能桅桿，以及在每年約18天太陽落至地平線以下期間提供電力的兩臺深埋式20千瓦微型反應(yīng)堆，團隊將其命名為CARROT（緊湊型自主風(fēng)化層屏蔽反應(yīng)堆，設(shè)計運行壽命十年）。CARROT反應(yīng)堆是由ECLIPSE團隊獨立研發(fā)的全新設(shè)計，與NASA為2028年火星任務(wù)研發(fā)的SR-1反應(yīng)堆設(shè)計理念相近，兩者均著重優(yōu)化快速部署能力。

"將每臺反應(yīng)堆埋入地下1.3米深，可將安全隔離區(qū)從數(shù)公里縮減至數(shù)米，乘員得以在附近作業(yè)，同時大幅減少所需屏蔽質(zhì)量。"核科學(xué)與工程系博士生、ECLIPSE團隊聯(lián)合負責(zé)人泰勒·漢普森介紹說。

完整設(shè)計方案通過埋地鋁質(zhì)電纜和屏蔽直流供電設(shè)備組成的電網(wǎng)，初期可提供120千瓦電力。配備激光裝置的月球車還可提供"前沿電力"功能，向任何電纜無法覆蓋的地點輸送最高10千瓦電力，從陰影隕石坑到尚未建立自身電網(wǎng)的新前哨站均可受益。航空航天系研究生、ECLIPSE團隊聯(lián)合負責(zé)人帕特里克·萊利表示："我們的設(shè)計理念是將可靠性置于質(zhì)量之上。方案經(jīng)過精心設(shè)計，確保最可能發(fā)生的故障不會影響月球基地的住戶，并可在不中斷商業(yè)月球經(jīng)濟運轉(zhuǎn)的前提下，從最初六人規(guī)模擴展至工業(yè)級需求。"

用于探索月球與火星并保持通信的網(wǎng)絡(luò)

MELIORA承擔(dān)月球基地的中繼與定位功能。盡管RASC-AL將通信、定位導(dǎo)航與授時競賽子主題定位于火星，該團隊還是提出了一套在月球幾何構(gòu)型下優(yōu)先驗證設(shè)計的方案，契合了NASA先在月球上驗證技術(shù)、再將其拓展至火星的總體戰(zhàn)略。為尋求最優(yōu)設(shè)計，團隊對5764種候選星座幾何構(gòu)型進行了綜合權(quán)衡研究。最終方案從最初3顆衛(wèi)星起步，逐步擴展至23顆，通過自由空間光學(xué)鏈路向地球軌道數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸超過100兆比特每秒的數(shù)據(jù)，并可將用戶定位精度控制在10米以內(nèi)。針對火星方案，四顆停駐于引力穩(wěn)定拉格朗日點的中繼衛(wèi)星可在日月合的數(shù)周期間維持通信鏈路，避免因太陽居于兩個世界之間而造成通信中斷。在火星表面，用戶只需攜帶一臺便攜式無線終端和一枚芯片級原子鐘——這種計時器僅有火柴盒大小。

"你不應(yīng)該去想網(wǎng)絡(luò)是否存在，它就在那里——就像你不會去想手機信號塔一樣。"AeroAstro及電氣工程與計算機科學(xué)雙專業(yè)本科生、MELIORA團隊聯(lián)合負責(zé)人葉卡捷琳娜·秋赫季科娃說道。"我們將幾乎所有的復(fù)雜性都集中在軌道上，這樣地面上的一切設(shè)備都能保持便攜和簡潔。"系統(tǒng)設(shè)計與管理項目畢業(yè)生、以MELIORA為主題撰寫論文的團隊聯(lián)合負責(zé)人克萊頓·利伯曼補充說。

從月球塵土中提取氧氣、金屬和磚塊

在電力和通信之后，月球基地的第三大核心支柱是就地取材。月球本土風(fēng)化層可提供呼吸用氧和燃料用氧、建造用金屬，以及抵御致命輻射的防護屏障。CHEESEBURGER方案包含五個機器人載荷，逐一驗證供應(yīng)鏈的每個環(huán)節(jié)，最終將五者整合為首個完整的月球工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。

這些載荷均取名于廚房食材：SWISS負責(zé)勘探最富礦區(qū)，BRIOCHES負責(zé)挖掘和篩選風(fēng)化層，BACON負責(zé)將其澆鑄成磚塊，GRILLED MEAT通過電加熱熔化風(fēng)化層以提取金屬和氧氣，AVOCADO則是負責(zé)將產(chǎn)品堆疊成結(jié)構(gòu)件的機器人建造者，包括可為居住艙提供輻射防護的互鎖月球BRICCSS。這一飲食主題源于團隊1月在馬薩諸塞州三明治鎮(zhèn)舉行的外出活動。"把勘探器命名為SWISS，把金屬提取器命名為GRILLED MEAT，將滿眼縮寫詞變成了整個團隊都能感同身受的東西。"航空航天系研究生、CHEESEBURGER聯(lián)合負責(zé)人塞薩爾·梅薩表示，"聽起來像玩笑，但當(dāng)你看到每個縮寫詞都清晰描述了流水線上一套執(zhí)行單一任務(wù)的嚴肅硬件設(shè)備時，就不會這么想了。"

三十余名學(xué)生、八個院系，共同設(shè)計一座月球基地

三支團隊共有30余名學(xué)生參與，分別來自航空航天系、系統(tǒng)設(shè)計與管理項目、核科學(xué)與工程系、電氣工程與計算機科學(xué)系、機械工程系、技術(shù)與政策項目、麻省理工學(xué)院斯隆管理學(xué)院、地球大氣與行星科學(xué)系，以及衛(wèi)斯理學(xué)院。多名學(xué)生導(dǎo)師和教師顧問同時參與了多個團隊，正因如此，ECLIPSE的電網(wǎng)容量已按照為CHEESEBURGER的加工作業(yè)供電來設(shè)計，CHEESEBURGER的風(fēng)化層處理能力也被納入ECLIPSE電網(wǎng)的埋設(shè)與屏蔽方案，三個項目均著眼于將月球基地經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為未來火星任務(wù)的參考。三支團隊的指導(dǎo)教師分別為：奧利維爾·德韋克，阿波羅計劃宇航學(xué)與工程系統(tǒng)教授、航空航天系臨時系主任，負責(zé)指導(dǎo)ECLIPSE；克里·卡霍伊，航空航天工程希拉·埃文斯·維德納爾教授，負責(zé)指導(dǎo)MELIORA；杰弗里·霍夫曼，航空航天系實踐教授、前NASA宇航員，負責(zé)指導(dǎo)CHEESEBURGER；科魯什·希爾萬，核科學(xué)與工程系大西洋里奇菲爾德能源研究職業(yè)發(fā)展教授，聯(lián)合指導(dǎo)ECLIPSE；以及喬治·洛多斯，聯(lián)合指導(dǎo)全部三支團隊。日常導(dǎo)師工作大部分由博士生志愿者承擔(dān)，依托洛多斯于2019年創(chuàng)立的麻省理工學(xué)院太空資源工作坊開展。

"獲獎團隊展示了學(xué)術(shù)創(chuàng)新如何支持阿爾忒彌斯任務(wù)目標。"RASC-AL項目主管、NASA蘭利研究中心高級空間系統(tǒng)工程師丹尼爾·馬扎內(nèi)克在NASA的頒獎公告中表示，"他們的工作彰顯了學(xué)生研究在塑造未來空間探索方面的重要作用。"

NASA預(yù)計在2030年代初期實現(xiàn)宇航員在月球表面連續(xù)駐留數(shù)月，ECLIPSE、MELIORA和CHEESEBURGER正是為這一時間窗口而設(shè)計的。三支團隊共同描繪了一幅統(tǒng)一的愿景：一支駐扎在月球南極的乘員隊伍，在漫漫月夜中燈火通明，網(wǎng)絡(luò)時刻在線，腳下的土地中源源不斷地涌出第一批氧氣和磚塊。

"永久基地不再只是戰(zhàn)略演示文稿上的一張幻燈片，NASA將于2027年開始部署首批基礎(chǔ)設(shè)施。"德韋克說，"正是在混凝土澆筑之前，這三項研究讓NASA得以提前審視電力、通信與資源方面的決策如何相互依存。這正是獨立的、綜合性架構(gòu)研究對實際規(guī)劃最具影響力的時刻。"

RASC-AL由美國國家航空航天學(xué)會代表NASA管理運營。麻省理工學(xué)院在NASA學(xué)生設(shè)計競賽中擁有悠久的獲獎記錄，近年來獲獎團隊包括HYDRATION火星水資源生產(chǎn)系統(tǒng)、"暗淡紅點"火星定居架構(gòu)、可部署月球塔MELLTT、MARTEMIS月球火星類比任務(wù)、MAPLE自主月球機器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)、CERBERUZ月球回收項目，以及THERMOS低溫流體管理系統(tǒng)。本研究部分受到NASA、馬薩諸塞州太空撥款、麻省理工學(xué)院航空航天系及麻省理工學(xué)院太空資源工作坊的支持，其中一名學(xué)生獲得NASA太空技術(shù)研究生研究機會獎學(xué)金資助。

Q&A

Q1：ECLIPSE月球電力系統(tǒng)是如何應(yīng)對月球極夜的？

A：ECLIPSE采用雙電源互補設(shè)計：在月球南極附近陽光照射的高地部署20米高太陽能桅桿陣列，并配備兩臺深埋式20千瓦微型核反應(yīng)堆CARROT，專門應(yīng)對每年約18天太陽落至地平線以下的極夜期。反應(yīng)堆埋入地下1.3米，既可縮小隔離區(qū)范圍，又能減少屏蔽質(zhì)量，整體系統(tǒng)可實現(xiàn)99.995%以上的運行時間，每年最壞情況下停機不超過27分鐘。

Q2：MELIORA通信星座如何保證火星任務(wù)期間的通信不中斷？

A：MELIORA在火星方案中，將四顆中繼衛(wèi)星部署于引力穩(wěn)定的拉格朗日點，即便在日月合期間——太陽位于地球與火星之間、通常會導(dǎo)致通信中斷的數(shù)周內(nèi)——也能維持通信鏈路暢通。地面用戶僅需一臺便攜式無線終端和一枚芯片級原子鐘即可接入網(wǎng)絡(luò)，所有復(fù)雜設(shè)備均集中在軌道端，確保地面裝備輕便簡潔。

Q3：CHEESEBURGER方案如何將月球風(fēng)化層轉(zhuǎn)化為可用資源？

A：CHEESEBURGER包含五個機器人載荷，形成完整的資源轉(zhuǎn)化流水線：SWISS負責(zé)勘探優(yōu)質(zhì)礦區(qū)，BRIOCHES負責(zé)挖掘和篩選風(fēng)化層，BACON將其澆鑄成磚塊，GRILLED MEAT通過電加熱提取金屬和氧氣，AVOCADO機器人則負責(zé)將產(chǎn)品堆疊成建筑結(jié)構(gòu)，包括用于輻射防護的互鎖月球磚BRICCSS。五個載荷逐一驗證供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)后，最終整合為首套端到端的月球工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。