为什么在地球外钻探如此困难

几千年来，人类一直在地球上进行地下挖掘。我们在这里提取一些最有价值的资源，推动社会向前发展。例如，如果没有锡和铜，就不会有青铜时代——这两种金属主要存在于地下。但当我们在天体地下挖掘时，我们的日子就艰难得多了。如果我们希望利用地表下可用的潜在资源，这种情况就必须改变。克拉科夫大学的DariuszKnez和MitraKahlilidermani发表的一篇论文探讨了为什么在太空中钻探如此困难，以及我们可以采取什么措施。

在2021年发表在《能源》杂志上的论文中，作者详细介绍了地外钻探面临的两大类困难：环境挑战和技术挑战。让我们首先深入探讨环境挑战。

地球与我们可能想要钻孔的大多数其他岩石天体之间的一个明显区别是缺乏大气层。有一些例外，例如金星和土卫六，但即使是火星也有足够稀薄的大气层，它无法支持地球上钻探所用的一种基本材料——液体。

如果您曾经尝试在金属上钻孔，您可能使用过一些冷却液。如果不这样做，您的钻头或工件很可能会升温并变形到无法再钻孔的程度。为了缓解这个问题，大多数机械师只需将一些润滑剂喷入钻孔中并继续压入即可。当建筑公司在地下钻探时，尤其是在基岩中，就会发生这种情况的更大规模——他们使用液体来冷却钻探部位。

这在没有大气层的天体上是不可能的。至少不使用传统的钻井技术。任何暴露在缺乏大气的液体都会立即升华，对工作区域几乎没有冷却效果。鉴于许多钻探操作都是自主进行的，钻机本身(通常连接到流动站或着陆器)必须知道在钻头熔化之前何时停止钻探过程。这增加了一层复杂性，但许多设计尚未提出解决方案。

类似的流体问题限制了地球上普遍使用的钻井技术——液压技术的采用。极端的温度波动，例如月球上昼夜循环的温度波动，使得提供一种在寒冷的夜晚不会结冰或在炎热的白天不会蒸发的液压系统使用的液体变得极其困难。因此，地球上几乎所有大型钻机所使用的液压系统在太空中使用时都极其有限。

其他问题(例如磨蚀性或粘性风化层)也可能出现，例如定向钻头时缺乏磁场。最终，无论人类身处哪个星球，都可以通过人类用来克服这些环境挑战的技术来克服这些挑战。

不过，地外钻探也面临很多技术挑战。最明显的是重量限制，这是在太空中做任何事情的一个关键考虑因素。大型钻机使用钢套管等重型材料来支撑所钻的钻孔，但使用当前的发射技术，这些材料的成本将高得令人望而却步。

另外，钻井系统本身的尺寸是钻头受力的限制因素——正如论文中所述，“传递到钻头的最大力不能超过整个钻井系统的重量”。由于典型的流动钻机是在机械臂上利用杠杆作用而不是直接放置在可以施加最大重量的下方，这一事实加剧了这个问题。这种力的限制还限制了钻头可以穿过的材料类型，例如，很难钻穿任何大的巨石。虽然重新设计漫游车时考虑到钻探位置可能会有所帮助，但发射重量限制在这里再次发挥作用。

另一个技术问题是缺乏电力。碳氢化合物燃料发动机为地球上大多数大型钻机提供动力。这在地球上是不可行的，因此该系统必须由太阳能电池及其提供的电池供电。这些系统也受到火箭方程式的同样影响，因此它们的尺寸通常相对有限，使得钻井系统很难利用全电动系统相对于碳氢化合物动力系统的一些优势，例如更高的扭矩。

无论这些钻井系统面临什么困难，它们对于未来任何勘探计划(包括载人勘探计划)的成功都至关重要。如果我们想在月球上建造熔岩洞穴城市或穿过土卫二的冰盖到达内部海洋，我们将需要更好的钻探技术和技术。幸运的是，有大量的设计努力来实现它们。

该论文详细介绍了四种不同类别的钻头设计：

表面钻孔——深度小于10厘米

浅深钻孔——深度小于1m

中深度钻孔——深度在1m到10m之间

大深度钻孔——深度大于10m

对于每个类别，本文列出了处于不同完整性阶段的几种设计。他们中的许多人对于如何进行钻孔有新颖的想法，例如使用“尺蠖”系统或使用超声波。

但就目前而言，在地外钻探，尤其是在小行星和彗星上钻探，它们本身也面临着引力挑战，仍然是一项艰巨但必要的任务。随着人类在这方面的经验越来越丰富，我们无疑会做得更好。考虑到这一过程对于世界各地太空探索者的宏伟计划有多么重要，我们能够有效地钻入太阳系中任何岩石或冰体的时间还不够快。