太空采矿:行走在小行星上的足迹

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太空采矿从早期的科幻电影如科幻片《月球》等，到后来的各种模拟游戏如太空采矿、太空采矿机，再到现在科学家的实际研究一步步发展起来。欧洲航天局前局长雅克·多尔丹也曾说：“开发太空矿业已不再仅是儒勒·凡尔纳笔下的科幻篇章，因为人类着陆小行星并取回原料的航天科技在可能性上已得到证明。”说明太空采矿正在从不可能向可能发展着。

很多人都知道，宇宙除了各类大型天体，还分布着不计其数的小行星。就太阳系而言，距离太阳约2.17~3.64天文单位的空间区域内，就聚集了大约50万颗以上的小行星，这些小行星，蕴含着丰富的资源，资源总和是地球的无数倍。

太阳系小行星分布图

据美国国家航空航天局（NASA）探测，在木星和火星轨道之间的小行星带，数百万大小不同的岩石（直径1000千米到几米不等）形成环绕太阳的一个环，它们是在宇宙初期太阳系形成时留下的残余。科学家发现有些小行星的体积虽不大，却蕴含着丰富的金属资源，比如：

1）C类小行星，约占小行星总数的75％，水资源、岩土资源丰富（二氧化硅、氧化镁、氧化铁等）；



2）S类小行星，约占小行星总数的17％，岩土资源（主要是二氧化硅）丰富；



3）M类小行星，金属资源更丰富（铁、镍等）；



4）澳大利亚天文学家曾发现一颗完全由钻石组成的行星，比地球大五倍之多。

这些小行星有这么丰富的资源不可不用，许多国家或公司纷纷跃跃欲试要去探囊取物，激起了新一轮的颠覆性创造——太空采矿。

采什么矿？

如今，地球上的一些金属原料已稀缺或被过度开采，很多企业不由得将目光瞄向太空深处，以寻找更多的资源。美国航空航天局(NASA)前研究员、中佛罗里达大学教授菲尔·梅茨格（Phil Metzger）认为，利用当前技术已经可以支持太空采矿和在太空中制造产品，这对地球和人类都有很大好处。前往月球或附近小行星上采矿，可以采集到大量氢、碳、硅、金属以及其他矿产，且行星资源聚焦于铂族金属，包括铂、钯、锇和铱等稀有贵金属，除了地球上稀缺的贵金属，地球上随手可得的水也是小行星值得开采的矿物。

水

可以饮用，也可分解供宇航员呼吸，同时氧和氢还用作生产火箭燃料。都知道从地球携带燃料上太空极其昂贵，因此小行星这样的“补给站”对于人类探测火星和更远的天体非常重要。

铂

可用于制造珠宝饰物、导线、实验室容器、热电偶、耐腐蚀设备、牙科材料等。铂粉可用作催化剂；用于制造精密合金；用作催化剂、氧化剂和气体吸收剂；用于合成氨氧化制硝酸；用于制造电阻、继电器接点、热电偶、印刷电路等，也是理化分析器皿和坩埚的良好材料。超细铂粉用途：主要用于制作高可靠、高分辨率元器件，制作单层或多层混合集成电路的导体浆料。

钯

钯主要用于制催化剂，还用于制造牙科材料、手表和外科器具等，与钌、铱、银、金、铜等熔成合金，可提高钯的电阻率、硬度和强度，用于制造精密电阻、珠宝饰物等，而最常见和最有市场价值的钯金首饰的合金是钯金；氯化钯还用于电镀；氯化钯及其有关的氯化物用于循环精炼并作为热分解法制造纯海绵钯的来源。一氧化钯（PdO）和氢氧化钯[Pd(OH)2]可作钯催化剂的来源。四硝基钯酸钠[Na2Pd(NO3)4]和其它络盐用作电镀液的主要成分。

铱

铱的最早应用是作笔尖材料，后来又提出了注射针头、天平刀刃、罗盘支架、电触头等方面的用途。铱坩埚可用于生长难熔氧化物晶体，该坩埚能在2100～2200℃工作几千小时，是重要的贵金属器皿材料；铱的高温抗氧化性和热电性能使铱/铱铑热电偶成为惟一能在大气中测量达2100℃高温的贵金属测温材料；可用作放射性热源的容器材料；阳极氧化铱膜是一种有前途的电显色材料；Ir192是γ射线源，可用于无损探伤和放射化学治疗；同时，铱是一个很重要的合金化元素，一些铱合金使用在某些关键部门；铱化合物亦有其特有用途。

锇

用来制造超高硬度的合金，同铑、钌、铱或铂的合金，用作电唱机、自来水笔尖及钟表和仪器中的轴承。

卢森堡太空采矿先例

早在1967年，联合国制定了《外层空间条约》，禁止任何人将太空领域“据为己有”，获得了103个国家的批准。不过，开采资源运回地球似乎就另当别论了。美国曾从月球上带回了约合382千克的岩石，目前已成其财产，其他国家尚未对此提出异议。2015年美国通过的《商业太空发射竞争法案》称，公民有权“拥有、运输、使用和销售”小行星资源。据物理学家组织网报道，卢森堡政府称，希望能够成为欧洲太空矿业公司的商业基地，为太空小行星矿业开发提供研发支持，并且可能直接向一些公司投资，开采小行星上的黄金、白金和钨等，还将制定法律框架，从而为相关业务提供保障。卢森堡能够出此豪言，是因为其拥有完善的卫星产业：卫星运营商SES环球卫星公司和Intelsat商业通讯卫星公司做坚实后盾。这意味着，它将成为欧洲第一个拥有所谓“近地天体”采矿权的国家，卢森堡开了欧洲太空采矿先河。

利润如何？

因铂的售价几乎与黄金持平，曾有人说过：“考虑到技术进步和航天器制造成本降低的趋势，预计太空采矿系统的成本可能还会更低。而随着地球采矿的资本投入增加，不排除未来有人向太空行动提供资金的可能。”未来5至10年内，我们或将看到小行星采矿服务业的兴起，可能有数以千计的小行星会被列为开采目标，下半个世纪太空采矿将成为最赚钱行业之一。

梅茨格认为发射12吨的“初始资产”就可以利用月球上的资源，在月球上建立重达150吨的设备，这种方法被称为“自给自足复制太空产业(SRSI)”，而地球因此得到的好处远比工业收益大得多。太空采矿和太空制造也可以缓解当前过度开采对地球造成的沉重负担，利用太空资源有助于地球上保存有限的资源。他解释称，地球附近有许多天体可供开采，它们带来的工业收益可以扩大太空研究所需的资金需求，在这种情况下，太空采矿将会让人类在经济和科技上受益。

今年4月6日，据CNBC报道，高盛发布了一份98页的重磅报告，报告称在外太空这个尚未被探索的领域，庞大的利润正在逐渐浮出水面。太空经济“有着长远而持久的机遇”，未来20年间，其行业规模将会成长至数万亿美元。

高盛以太空采矿为例进行了说明。它在报告中指出，虽然很多人认为小行星采矿的障碍很大，但实际上，金融和技术障碍已经非常低。据估计，小行星241 Germania上存在价值达95.8万亿美元的矿产，几乎与整个世界的GDP相当。而根据加州理工学院的建议，未来勘探探测器的成本可能只需数千万美元，而一个小行星的飞船可能需要26亿美元。26亿美元是什么概念，这仅相当于投资了三分之一的Uber。



此外，太空采矿与地球普通矿山投资的设置成本相近。根据麻省理工学院的文章估计，一个新的稀土金属矿从头开始开发需要的费用为10亿美元，而一颗小行星可能就藏着价值高达500亿美元的铂金，更重要的是，硅谷“钢铁侠”马斯克的SpaceX公司和亚马逊创始人贝佐夫的蓝色起源公司已经可以做到重复利用火箭，这让飞船成本得到了大幅降低，曾经需要花3500万美元才能将一个人送往外太空，现在许多公司都在争取只需花25万美元就能完成这一任务。高盛认为，这意味着随着时间的推移，运载火箭的价格会越来越低。

太空采矿竟蕴藏着如此之多的财富，难怪有人会预言未来50年，将会从太空采矿行业产生第一个亿万富翁。

有何技术？

由于小行星上几乎没有重力，因此不必使用太重的机器，这也是失重带来的一大优势，可以不费吹灰之力运走大块材料，虽然这些项目需要数十亿美元的投资，但是无论如何要比在月球或者火星上采矿便宜得多。

据外媒报道，目前美国“深空工业”公司和“行星资源”公司已经开始设计太空船系统，以便调查和寻找可能的开发目标。“行星资源”公司正在太空检查一系列的观测卫星，以便找到最适合开发的小行星，在登陆它们时，需要建立必要的设施，然后进行矿产开发。

在技术方案选择方面，机器设备可采用太阳能供电，将大大减少从地球运往小行星所需燃料；有可能会限制搭载人员数量，因此所有工作人员包括机器人的体重须足够轻；在开采过程中，所有飞船和设备须紧紧固定在小行星上，以防因失重而飘走迷失于太空。有国外媒体报道称，德国比勒菲尔德大学研究人员制造出一个可以走上楼梯并穿过多石地面的竹节虫机器人，可在困难地形上自动搜索和运载货物，将有助探索其他星球。



竹节虫机器人

NASA已制定未来30年空间发展计划，将展开对小行星的一系列探索任务，比如捕获小行星后拖至地月系的某个轨道上，进而开采。该计划在2016年进入实施阶段，主要发射OSIRIS-Rex探测器对庞大的小行星群进行勘查，探测分布着贵金属的近地天体，将在2018年抵达小行星Bennu附近展开探索。日本在这方面也有所行动，计划对小行星进行矿产勘探。

中国怎么做？

据外媒报道，今年年初，中国空间飞行器总体设计师、信息处理专家叶培建院士透露，中国可能在三年后，也就是从2020年开始，计划用飞行器把机器人或航天员送到某颗资源丰富的小行星上，在那里建立小行星基地从事相关开采作业，并把开采出的钯、铂等稀有金属带回地球，以用于制造尖端设备的重要零部件。



叶培建院士

叶培建院士曾表示，利用小行星天体自身的轨道特性、物质特性等，开发的可能性有很多，但目前主要的设想方案是将其作为资源开发平台和星际航行平台。



小行星开采示意图

资源开发平台近期的方案设想是，捕获一颗小行星，将其控制在可达范围内，然后开展机器人或载人资源开采，获取小行星上的稀有资源后返回地球。或者直接利用小行星的矿物资源，开展在轨建造工作等。



星际航行平台是直接利用小行星的矿物资源，开展在轨建造工作等。这种方案的远期设想，是将小行星作为太空中转站，为人类建立空间设施及星际航行转移系统提供基础材料，开展更深远的探测任务。



太空采矿从拦截小行星到太空精炼即便是“近地”小行星依然距离地球过远，成本极高。科学家评估资源开发平台近期方案的结论是：相关技术已存在，但至少需要260亿美元的资金才能实现。与此同时叶培建院士表示，我国未来实施的小行星捕获任务，或许会将小行星‘抓’到环月高轨或日地拉格朗日2点。



拉格朗日点示意图

拉格朗日点示意图，在L4点和L5点，小行星会在地月间做稳定摇摆运动，拦截而来的小行星可以安置在相对于地球和月球静止的拉格朗日点上，在拉格朗日点，如L1和L2，只需要非常小的推力就可以维持轨道稳定。

叶培建院士也称，10年内，我国有能力做出成绩并建立示范基地，但要实现大规模开采，大约需要50年左右，因为小行星探测在“选、探、控、用”等方面涉及诸多关键核心技术，这些技术涉及多个复杂学科，需要各部门、行业共同努力才能真正完成此项伟大工程。



小编相信，中国作为一个航天航空强国，在太空探索和研究方面并不逊于西方国家，本着探索外太空、扩展对地球和宇宙的认识，和平利用外太空，促进人类文明和社会进步，造福全人类，满足经济建设、科技发展、国家安全和社会进步等方面的需求，提高全民科学素质，维护国家权益，增强综合国力的宗旨，中国必将在未来立于“宇宙之巅”。

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采编/王子琳 闫春蕊

排版/陈淑慧

审核/王学长