未來在月球上的太空人將需要水，現在美國宇航局NASA設計了一種新的立方星太空飛行器，用雷射束在月球隕石坑中尋找冰。
藝術家創作的「月球手電筒」概念照。圖為月球手電筒在月球南極附近的一個深不見底的隕星坑中尋找冰。（圖源美國航空航天局）
美國航空航天局正在繼續推進其阿爾忒彌斯項目。此項目計劃於2024年前，將第一名女性航天員和第二名男性航天員送上月球南極。此次人類重返月球時，大概率將比二十世紀六十年代後期、七十年代早期時阿波羅對應體的停留時間更長，阿波羅任務時期，這個記錄在75小時左右。
為了實現未來長期停留在月球上這一構想，月球太空人可能會利用一些取自月球自身的自然資源，尤其是據說在2018年已經被證實存在於月球兩極陰影很深的隕石坑中的水冰。這些冰可以被融化和淨化用以提供作為飲用水；它可以被用來作為火箭燃料。進入月球手電筒——一個公文包大小的衛星，亦被稱為立方星——預計發射時間是2021年，其具體的任務是探測月球陰影隕石坑中自然形成的表面冰。
在IEEE航空航天和電子雜誌系統今年4月的期刊中，NASA的噴氣推進實驗室（JPL）發表了一篇新同行評議論文，詳細介紹了這項最新的月球手電筒技術。
2018年，科學家發現了月球表面存在水冰的確鑿證據。NASA月球礦物學探測儀傳回的圖片顯示了月球南極（左圖）和北極（右圖）都有水冰的分布，圖中零星分布的藍色區域代表水冰的位置，灰度的深淺則對應月球表面溫度的高低（深灰區域溫度更低，而淺灰區域溫度較高），水冰就集中在隕石坑中最暗、最寒冷的區域。（圖片來自NASA）
基本上來說，月球手電筒就像聚光燈一樣工作，為了幫助科學家們尋找月球南極附近的冰，它用近紅外雷射束掃描地表並在月球表面閃爍。 美國宇航局戈達德太空飛行中心負責該任務的首席研究員Barbara Cohen在JPL中說：
在月球上最冷和最暗的隕石坑內存在冰雖然是一個很不錯的想法，但先前的測量卻有些模糊不精確。
從科學上來說這沒關係，但是如果我們計劃派太空人到那裡挖冰並飲用，我們必須確保它真實存在。
月球手電筒的任務簡介和時間表。圖片來自Cohen等人。
商業定製的月球手電筒組件。圖片來自Cohen等人。
從上圖可知：
月球手電筒是一顆非常小的衛星（約5 x 10 x 14英寸，或12×24×36釐米），由JPL開發並管理，將用於在月球南極區域搜索水冰並繪製分布位置。它將向NASA展示綠色推進、活性雷射光譜等技術，同時將證實在立方星形狀因子下進行行星科研的能力。月球手電筒是由NASA高級探索系統（AES）計劃於2014年選定…它將是目前計劃於2020年在阿爾忒彌斯1號上發射的13個次要荷載之一。
繞地飛行的宇宙飛船發現了水冰的存在，而月球手電筒則可以確定水冰的確切位置，從而讓長期待在月球上的太空人開採並為自己所用。這將是第一個利用雷射探測水冰的太空任務。JPL月球手電筒項目的負責人約翰·貝克說：「像月球手電筒這樣的高科技任務，成本更低，卻填補了我們知識的空白，它幫助我們為NASA在月球上的長期工作做好準備，同時也能測試未來的探測任務所需要的關鍵技術。」
由於月球上幾乎是沒有空氣的，這會導致月球表面在陽光照射的地方會非常熱，而在黑暗中，其表面溫度又會變的極其寒冷，特別是那些永久地處於極區陰影的隕石坑裡的地方。在那些寒冷的地方，水冰分子可以在表面積聚並保持穩定。對此Cohen解釋說：
「太陽光在隕石坑的地平線附近移動，但從未照進隕石坑裡。由於這些隕石坑裡太冷了，水冰分子永遠無法獲得足夠的能量來逃脫，所以它們在數十億年的時間裡被困住並積聚起來。 」
藝術家創造的月球手電筒從上方觀測的示意圖。圖片來源美國宇航局/加州理工學院噴氣推進實驗室
對於太空人來說，如果未來他們希望留在月球上進行長期任務，甚至永久地留在月球基地，那麼利用月球本身的資源就顯得非常重要且是必需的，因為要不斷地將水從地球運送到月球是很昂貴且不現實的，因此，利用月球自身的冰層的作為水資源是非常有意義的。
月球手電筒會將其雷射束射入其中一些已知或懷疑存在冰的火山口（或隕石坑）中。這項工作將持續至少兩個月，並將會非常準確地繪製出這些冰層的位置。
那麼如何用月球手電筒識別冰呢？
立方星衛星探測器中有包含分光光度測量的四束光雷射反射計，使用近紅外波長的雷射束，這些波長會被水冰吸收，但裸露的巖石會將它們簡單反射回探測器。如果近紅外波長在隕石坑中有大量的吸收，那將是廣泛冰沉積的證據。這些發現可以與之前在月球上發現冰的其他軌道飛行器的發現進行比較。科恩說：
我們可以將月球手電筒的數據與我們從其他月球軌道任務中獲得的大量數據進行比較，看看水冰的特徵是否存在相關性，從而為我們提供一個關於表面冰分布的全球視圖。月球手電筒也將是第一個使用「綠色能源」推進的行星立方體星任務，這種推進劑比大多數太空飛行器所使用的聯氨毒性更低，也更安全。
儘管月球上有冰這一現象聽起來令人吃驚，但是對於科學家來說這並不值得驚訝。小行星和彗星上同樣也有水結成的冰。信使號太空飛行器甚至在2012年發現：相較於距離太陽更遠的月球，水星的兩極附近也存在冰。
在Artemis --1 運載火箭上還有其他兩項任務將補充月球手電筒。月球icecube和Lunah-map將進行額外測量尋找月球南極上其他的冰和氫氣。 三個飛行任務是相互協同的。他尋找在人類來臨以前的自然條件水與冰。
像月球手電筒這樣的任務，不僅會幫助美國航天局太空人，繼續探索月球而且能幫助我們在宇宙中最近的鄰居-月球，能夠長期生存。
一句話：美國國家航天宇航局設計了一種新的立方體衛星太空飛行器，月球手電筒--用雷射束來探測月球上的冰。
作者：Paul Scott Anderson
FY：Astronomical volunteer team
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