太空探索之原位资源利用——太空采矿

han1314

在当今全球原油和矿产资源价格飞涨之际，我们或许应当深思，人类不应仅仅局限于索取地球的宝藏，而应抬头仰望星空，那些遥远的星辰可能预示着无尽的资源等待我们去发现。同时，随着深空探索活动不断深入，传统的运载方式已难以支撑未来的太空任务发展，这迫切要求我们减少对地球物质和能源补给的依赖。在这一背景下，原位资源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）技术显得尤为关键，它将成为支持未来太空探索的重要手段。
地外矿产资源
太空采矿是指在地球以外的行星、小行星和彗星等天体上开采有价值的矿物和其他地质材料的行为。这一概念涉及了一系列技术和方法，旨在获取水、金属和其他化合物，这些资源可以被用来支持太空探索的持续性，例如制造燃料、建筑材料甚至是生命维持系统所需的原料。

太空采矿的前提为太空找矿。在月球上，由太阳风注入月球风化层中的3He是最有价值的资源之一，它是一种可长期使用的清洁、安全 和高效的未来新能源。月球上3He储量可满足地球上万年的能源需求，开发利用月球风化层中的3He对地球能源的可持续性发展至关重要 [1]。研究者基于氦3He地表分布估算出全月球氦3He库存量约为 6.50×108 kg，其中月球正面约为3.72×108 kg，背面约为2.78×108 kg，并绘制了月球表面每1 m^2风化层中3He的总含量（图1）。

图1月球表面每1 m^2风化层中3He的总量[2]（10^-9/m^2）：（a）正面，（b）背面

如果真的成为一名“太空矿工”，除了月球外，还有其他选择，如灵神星（16 Psyche）。灵神星是一颗富金属型小行星（图2），其直径超过200公里，距离地球大约3.7亿公里，具有巨大的潜在经济效益。灵神星由铁、镍和稀有金属（包括金，铂和铜）组成，可能是数十亿年前的一颗行星在多次剧烈撞击下岩石外壳被剥离而残留的核部[3]。



图2 富含金属的小行星16 Psyche，位于火星和木星之间的小行星带（Credits: NASA/JPL-Caltech/ASU）

美国国家航空航天局（NASA）为研究灵神星设立了12亿美元的专项基金。2023年10月13日，“灵神星号”探测器搭载美国太空探索技术公司的猎鹰重型运载火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空（图3），展开探索之旅。预计将于2029年抵达该小行星。它将使用伽马射线和中子能谱仪来确定组成该小行星的化学元素，并使用多光谱成像仪来提供有关灵神星的矿物成分及其地形地貌信息[4]。

图3 “灵神星号”发射现场图（Credits:nasa）

太空生物采矿

微生物在商业采矿作业中扮演者重要角色，微生物通过改变环境中的pH环境，催化，等方式，用于提取岩石中有价值的金属元素，如，金，铜等元素[5][6]。这一生物技术，称为生物采矿。

稀土元素是电子器件中的关键成分。但是，它们开采难度大、成本高，而且很快将供不应求。微生物已经被用来开采地球岩石中的稀土元素，而太空采矿的关键问题在于需要实验研究微生物如何附着在太空环境中的岩石和风化层材料上，并与之相互作用。Cockell, C.S., et al（2020）通过在国际空间站（ISS）开展BioRock实验（图4），测试了三种耐干燥并且可以利用岩石作为能源的微生物Sphingomonas desiccabilis，Bacillus subtilis和Cupriavidus metallidurans和非生物对照在微重力，模拟火星和地球重力条件下对于玄武岩中稀土元素的浸出浓度[6]，此研究。在所有重力水平中，菌株Sphingomonas desiccabilis的稀土浸出效率均大于非生物对照组，展示了在生物采矿能力在太空和类似火星的重力条件下仍能继续存在，以帮助人类寻找在太空中生存所必需的材料。它的成功表明了生物采矿的真正潜力：利用微生物在月球、火星和其他地方提取有用的材料，从而维持太空移民需要。

图4 欧洲空间局（ESA）航员卢卡·帕尔米塔诺（Luca Parmitano）正将生物挖掘反应堆装置放入国际空间站上的离心机中（Credits：ESA）

随着航天技术的突飞猛进和商业航天活动的快速发展，太空采矿这一概念逐渐受到全球不同国家和私营企业的瞩目。然而，即便享有小行星采矿领域标杆地位的Planetary Resources，作为行业的领航者，也未能免于技术瓶颈所带来的挑战，最终走向被并购的命运。目前，太空采矿仍旧是一个处于孕育初期的领域，技术开发尚处于起步阶段，面临庞大的技术难题和昂贵的成本。它既有成为下一个经济增长点的潜能，也可能是一个遥不可及的梦想。太空采矿的未来仍然充满不确定性和无限可能。

（封面图片来源: NASA/JPL-Caltech/ASU/Brenton Chase - Psyche Inspired）

参考文献

1.范琳琳, et al.,月球矿产资源及其原位选矿技术研究进展.矿产保护与利用, 2023.43(4): p. 1-11.

2.Fa, W. and Y.-Q. Jin,Quantitative estimation of helium-3 spatial distribution in the lunar regolith   layer. Icarus, 2007.190(1): p. 15-23.

3.Shepard, M.K., et al.,Asteroid 16 Psyche: Shape, features, and global map. The Planetary Science Journal, 2021.2(4): p. 125.

4.Elkins-Tanton, L.T.,Asteroid 16 psyche: nasa's 14th discovery mission. Elements: An International Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology, 2018.14(1): p. 68-68.

5.Rawlings, D.E. and S. Silver,Mining with Microbes. Bio/Technology, 1995.13(8): p. 773-778.

6.Cockell, C.S., et al.,Space station biomining experiment demonstrates rare earth element extraction in microgravity and Mars gravity.Nature communications, 2020.11(1): p. 1-11.