世界各国的航天局都制定了一些雄心勃勃的航天规划，计划将在这个十年和下个十年中实施。首先，美国宇航局NASA及其商业合作伙伴计划自阿波罗时代以来首次重返月球。除此之外，他们还打算建造月球基础设施，以实现持续的月球探索计划，如月球表面基地和地月空间站Lunargateway。一旦一切就绪，美国宇航局将考虑向火星发射载人飞船。
然而载人火星探测任务将带来许多新的挑战，包括后勤、能源需求以及宇航员的健康和安全。通常公众不常想到的一个关键问题是如何处理沿途产生的垃圾。为了解决这个问题，NASA锦标赛实验室(NASA Tournament Lab, NTL)再次与HeroX合作，发起了NASA废物抛掷机制挑战赛。NASA将提供3万美元的奖金，寻求安全有效地丢弃无法回收的垃圾的解决方案。
此次比赛是对美国宇航局(NASA)于2021年1月18日启动的“面向基地废物处理挑战赛”的补充。这项奖励金额达到24,000美元，奖给那些能提出循环经济建议的团队，这些建议可能会导致能够将人类废物、包装和分类垃圾转化为宇航员可用于任务的产品的新型载人飞船系统。但是，即使有一个强大的废物管理系统，执行载人深空任务时仍然会产生一些无法再利用、重新利用或回收的废物。
图1 美国国家航空航天局(NASA)的载人飞船(CTV)利用核热火箭发动机加速驶离近地轨道(LEO)概念图。
版权:NASA
在这个挑战赛中， NASA正在寻找详细的抛掷机制，在载人火星任务期间，可以有效地将不可回收材料从航天器中抛掷出去。可控抛掷是降低航天器和乘组人员风险的有效手段。过多的垃圾只会在飞船中占据至关重要的体积，对宇航员构成潜在危险，并释放出威胁宇航员健康的污染物。
这个挑战需要创造力，毫无疑问，我们期待的问题解决方案将想出一些独创性的东西，HeroX首席执行官Kal K. Sahota在一份官方新闻稿中说。我期待看到我们的创新者们设计出深思熟虑的、可持续的解决方案。
抛掷机制指的是处理废物和物体(顾名思义)的受控方法，包括通过气闸将它们喷射到太空中。这些物体将会绕太阳运行，但由于距离太远，它们极有可能不会干扰未来的运行。此外，就航天器性能和燃料需求而言，排出这些垃圾更有好处。
美国NASA/AMES中心垃圾压实和处理系统项目经理史蒂夫·塞普卡Steve Sepka，也是美国NASA垃圾抛掷机制挑战赛小组的成员。正如Sepka通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样：
携带不必要的质量会导致行星上升、下降和行星间运输任务时，需要大量的额外燃料。如此之多以至于减少废物被认为是载人火星探测任务成功实施的重要环节。如果这个物体是生物可降解的，那么将它留在飞船上，也会对乘组人员的健康构成重大的生物危害。另外，为乘组人员保留一个可行的生活空间也是一个问题。NASA正在开发不同的技术来移除或再利用废物，例如把废物扔到基地，把垃圾变成气体，或者直接抛掷出去。
图2 乘员转移飞行器(CTV)利用其核热火箭发动机减速并建立围绕火星的轨道。
版权：NASA
在长时间的深空飞行中，产生的垃圾包括宇航员产生的生物废物、用过的部件、保护性包装和损坏的部件。虽然这些垃圾中的大部分可以通过正确的技术回收或再利用，但美国NASA预计，四人的火星之旅将产生大量不可回收的垃圾。这些废物的体积约为0.2立方米(7立方英尺)，重50公斤(110磅)，足以装满一个55加仑的标准桶。
考虑到单程火星之旅需要6到9个月，这意味着途中会产生1200到1800公斤(2645到3968磅)的多余质量。在体积方面，垃圾将占据4.8到7.2立方米(169.5到254立方英尺)的空间。考虑到猎户座飞船的内部体积是9立方米(316立方英尺)，这意味着需要添加一个单独的模块到飞船上，所以乘组人员在到达目的地时才不会被埋在垃圾里面。
正如NTL和HeroX所强调的那样，丢弃操作非常复杂，并且存在潜在风险。在载人火星任务的长期飞行阶段，没有机会补给或修理飞船，或提前返回地球。因此，“挑战”是复杂的，需要一些真正的创新思维，以确保任务的成功。与地球以外的其他任务一样，主要的焦点是可持续性的原位资源利用(ISRU)。
Sepka说：我们认为将废弃物扔到基地和丢弃的挑战赛是互补的。有些垃圾可能需要被丢弃，但随着我们开发出重复利用垃圾的方法，被丢弃的垃圾列表将会减少。最终，我们将重新利用所有的垃圾，创造循环经济。只是我们现在还没到那一步。
图3：挑战赛中给出的可能的载人火星任务的概况和任务需要的时间。
版权:NTL / HeroX
如要参加比赛，参赛者必须考虑几个不同的载人任务剖面(如图3所示)，这些剖面在某些时候需要进行机械抛掷操作。这些任务中最长的是一次往返火星的旅程，总共需要3年时间。这将包括6到9个月在地球和火星之间的转移飞行，18到24个月在火星表面或火星附近进行科学操作，6到9个月的飞船返回再入地球。
在这个挑战赛中，抛弃机制特别指的是转移阶段，宇航员从地球到火星，然后返回的过程。虽然在技术上不包括地面作业，但该解决方案仍必须用于返程，因此必须考虑如何存储系统，包括乘员在火星表面上数月工作时间。正如Sepka解释的那样，这将是他的团队第一次挑战，但这是NASA习以为常的事情。
我们的团队对众包还是个新手，但NASA已经用这种方法解决了数百个挑战赛。我们正处于新技术发展的早期阶段，所以众包是一个理想的开始方式，因为它能够提出创造性和新颖的想法，或者确认更传统的方法。看到使用这种方法的创新解决方案将是令人兴奋的。众包还能让我们接触到更广泛的受众。
在今天(2月1日)早些时候发布这项挑战赛时，还有HeroX项目经理Shane Jenkins的一份声明：
就这样开始了!从今天开始，您可以访问完整的指导方针，以便开始制定解决方案。首先，点击橙色的“解决这个挑战”按钮。一旦你接受了法律协议，你将正式成为竞争对手。
如果你觉得自己被困住了，挑战论坛是你的首选。论坛是供你提问和寻求建议的地方。交流想法，了解你的创新伙伴，甚至可能组建一个团队(稍后再详细介绍)。现在开始!我们迫不及待地想要看到你们的成果。
图4 搭载核动力推进系统的火星飞船飞越火星居住地的艺术想象图。
版权:美国NASA
这些挑战赛将于2022年6月14日宣布获奖结果，获奖方案可能会被NASA考虑进一步投资开发。只要美国联邦政府不禁止参赛，世界任何地方的18岁或以上的人(以个人或团队的形式参加)都可以参加比赛。有关如何参与的更多信息，请查看注册页面。https://www.herox.com/JettisonChallenge
（本文翻译自
https://www.universetoday.com/154339/nasa-and-herox-want-your-ideas-for-how-to-deal-with-space-waste/，耗时40分）
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