中国矿业大学视角下的太空采矿:机遇、挑战与未来愿景全解析

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采矿的征途是星辰大海THE UNIVERSE IS THE FUTURE

在浩瀚无垠的宇宙中，无数星辰闪烁，它们不仅承载着人类对未知的向往，还蕴藏着地球上稀缺的珍贵资源。随着地球资源的日益枯竭，一场悄无声息的资源革命正在宇宙深处酝酿——太空采矿，这个曾经只存在于科幻小说和电影中的概念，如今正逐步走向现实，成为全球瞩目的焦点。它究竟隐藏着怎样的奥秘？又将如何改变人类的未来？今天，就让我们通过中国矿业大学太空采矿国际研究中心张克非教授等发表在《中国矿业大学学报》上的论文《太空采矿发展现状、机遇和挑战》，一同揭开太空采矿的神秘面纱。





地球资源告急，太空采矿应运而生



地球，是人类赖以生存的家园，但经过长期的开采和消耗，地球上的资源正面临着严峻的挑战。石油、天然气和煤炭作为世界能源供给及消费的三大支柱，占据了一次能源消费的85%以上。然而，根据相关数据，这三种能源的储量分别仅够维持数十至上百年的全球消费。

不仅如此，地球上的各类矿产资源也十分有限。黑色金属矿产（如铁、锰、铬）、重金属（铜、锌、铅）、轻金属（如铝、镁）、稀有金属矿产（如钨、钼、铌、钽）、贵金属矿产（如金、银、铂）及金刚石等，随着开采强度和需求量的不断加大，正逐渐走向枯竭。

仅太阳系中，月球、火星、小行星等天体上都蕴藏着大量的矿产资源和稀有金属；类木行星和彗星上有取之不尽的氢能资源；行星空间还存在着真空资源、辐射资源及超洁净资源等。为了破解地球矿产资源枯竭的难题，开发利用太空资源势在必行，太空采矿这一新兴领域也由此诞生。



太空采矿：曙光初现，任重道远



目前，太空采矿的研究仍处于基础阶段，但人类多年的深空探测为其积累了宝贵的资料和前期技术。

钻孔技术：不断探索，力求突破

地外天体钻孔技术是获取天体样本的关键手段。早在数十年前，苏联就通过月球探测器在月球取得了月壤样本，之后美国和中国也相继通过探测器在月球上取得岩石或月壤样本。美国相关机构研制的钻机，在模拟月球环境下，可穿透一定深度的月壤模拟物、水冰和岩石。然而，随着钻孔深度增加，钻孔和钻头的摩擦增大，系统停滞的风险也随之增加。为此，一种新型钻进法应运而生，它能在多种天体环境下使用。

在近期的深空探测任务中，美国洞察号火星探测器携带的钻头将在火星上钻出迄今最深的孔洞，用于考察火星内部的热状态；我国的嫦娥五号成功钻取月壤样本返回地球；日本隼鸟二号于2019年在小行星“龙宫”着陆后，通过发射弹丸撞击小行星地表，采集到了地表下岩石样本。这些都为太空采矿钻孔技术的发展提供了实践经验。

原位资源利用：就地取材，降低成本

太空采矿是一项长期、昂贵且复杂的工程，为减少克服地球引力所需消耗的燃料，大规模太空采矿活动需要就地利用被采目标中的资源。例如，月球上的钛铁矿加热还原可以制取相关物质；美国NASA计划在火星任务中，以火星上大量的资源制作氧气推进剂，用于探测器在火星上升阶段。研究表明，太阳系中的某些天体可能存在水或氢元素，通过适当方法将这些天体上的物质还原，可为探测器提供必要的能源。

尽管在太空资源勘查、钻孔技术及原位利用等方面取得了一定进展，但太空采矿的工业性实验目前还无法开展。太空采矿在空间基准与导航定位、资源勘查与开采、资源分选与利用等方面缺乏系统深入研究，导致实质性进展缓慢。



发展机遇：多方助力，前景广阔



尽管目前面临诸多挑战，但太空采矿却迎来了前所未有的发展机遇，这离不开国家政府、私人公司和科研院所等多方面的支持。



开展太空采矿研究具有代表性的国家政府、私人企业、科研院所

国家政府：政策支持，战略布局

美国在太空采矿领域走在世界前列。2015年，美国总统奥巴马签署了相关法案，为商业化太空资源开发与利用提供法律保护，赋予私人企业太空采矿的合法性，明确了太空资源的私有财产权。此后，美国积极开展小行星探测任务，探索采矿所需技术。SpaceX的“星舰”（Starship）超重型火箭在2024年完成4次亚轨道试飞后，已被纳入阿尔忒弥斯计划的备选运载工具，可能替代原SLS火箭执行载人登月任务。

卢森堡作为欧洲第一个将太空资源纳入国家战略的国家，宣布了以开采近地小行星上矿石资源为目标的太空采矿计划，并出台相关法律保证私人运营商对开采太空资源的权利。

日本在小行星探测及取样方面成绩斐然。2014年，日本相关机构发射了小行星“龙宫”探测器，并于2019年完成多次采样任务。2023年“隼鸟3号”完成对C型小行星“1998 KY26”的采样返回，为含水矿物商业化开发奠定基础。

私营企业：技术突破与生态重构

美国商业航天呈现两极分化格局。美国行星资源公司成立于2012年，致力于开采自然资源和太空探索，其愿景是出售从小行星上开采回来的原材料，并计划在太空建立氢能源补给基地，利用小行星上的水资源产生氢为航天器提供燃料补给。然而，因技术路线滞后，该公司于2023年退出市场。美国深空工业公司2013年成立，后与NASA签订小行星采矿的商业化和工业性探索合同。该公司计划发射着陆器从小行星上采样，对小行星进行地形扫描和矿石分析，了解其可采性。而新兴企业AstroForge凭借2024年完成的4000万美元A轮融资，计划于2025年启动“Vestri”任务，首次尝试对铂族金属富集小行星实施原位分析。SpaceX通过“星链”卫星星座积累的低成本发射能力（单次发射成本降至6000美元/公斤），正为Astranis等太空通信企业提供基础设施支持，形成“发射-探测-采矿-应用”产业闭环。月球快递原计划于2017年发射着陆器到月球进行探测工作，虽任务推迟，但美国联邦航空管理局早在2016年就批准了其登月计划，这是美国首次批准私人登月计划。我国的“起源太空”公司于2019年开始对太空资源开展研究及商业化工作，是我国第一家致力于太空资源开采和利用的商业公司。该公司贯彻分阶段技术路线，计划发射卫星，进行小行星捕获技术的展示验证。

科研院所：人才培养，技术攻关

教育体系加速适应太空经济需求。美国科罗拉多矿业大学开设了全球太空资源领域首个跨学科研究生专业——太空采矿，涉及多个学科，旨在培养太空和行星资源勘探、开采等方面的专业人才。并与Blue Origin合作开发模拟月球重力环境的采矿机器人训练平台。卢森堡大学成立跨学科太空学，培养商业航天人才队伍。中国矿业大学依托学科建设，成立了国内首个太空采矿国际研究中心，开展相关方面的探索性研究。（可参看>>太空采矿：高校新战场，未来‘星际矿工’在这里诞生！）



可行性分析：锁定目标，有的放矢



基于现有的科学技术，在10-20年内实现试验性开采近地星体上的太空资源是可行的。但某些天体由于环境复杂多变，目前技术无法开采。因此，我们主要关注月球、火星及小行星的资源情况及开采可行性。



太阳系空间资源开采目标轨道和相对于地球的位置示意

月球：宝藏近在咫尺

月球是地球的卫星，距离地球平均约38万公里。月球上矿产资源丰富，月岩主要有多种类型。其中，月球玄武岩中含有大量钛铁矿；斜长岩中的稀土元素以及钍、铀等放射性元素具有重要开发价值。月岩中不仅含有地球上的全部元素和60种左右的矿物，还存在部分地球上不存在的矿物。在月球表面，铁元素含量丰富，且开采和冶炼相对容易。此外，月壤中还富含氦-3，这是核聚变的重要原材料，且无辐射污染。自上世纪50年代起，美苏等国就开始对月球进行探测，我国也实现了月球着陆和巡视，积累了丰富资料，因此开采月球矿产资源具有较高可行性。

火星：神秘星球的资源潜力

火星是太阳系中与地球最为相似的行星，被认为可能存在地外生命。火星土壤中含有多种元素，其化学成分具有特定特征。火星上的矿产资源类型多样，包括多种矿床。然而，目前人们对火星的探测及研究相对较少，其开采价值似乎不算高。而且火星距离地球遥远，这给开采带来了巨大挑战。因此，现阶段不建议开采火星上的矿产资源。

小行星：星际间的宝藏库

太阳系中的小行星数量众多，根据轨道位置可分为近地小行星和主带小行星。研究表明，大量近地小行星可作为主要太空采矿目标星。小行星按照光谱特征可分为多类。例如，某些小行星富含多种元素，可为深空探测提供燃料；部分小行星中铂系金属元素含量丰富。随着人类深空探测能力的不断增强，开发利用小行星尤其是近地小行星上的资源不再是遥不可及的梦想。近地小行星运行轨道距离地球较近，空间环境容易探测，基于现有技术及开采价值，开采近地小行星上的矿产资源十分可行，还能降低部分小行星撞击地球的风险。



重点研究方向：攻克难题，砥砺前行



虽然太空采矿迎来了发展机遇，但相关研究才刚刚起步，仍面临诸多挑战，需要在多个重点方向开展深入研究。



太空采矿研究路线

太空资源探测：精准定位，摸清家底

研究太空采矿时间与空间基准构建技术，实现天体与地球参考系统的无缝转换与统一，是太空资源探测的基础。基于多种技术，深入了解小行星的相关情况。建立近地空间资源光谱数据库，构建多源遥感协同定量反演模型，综合考虑多种因素，利用地理信息系统和大数据分析确定太空资源开采的行星，并编目分析其可行性。

太空采矿智能机器人平台：适应太空，高效作业

太空环境微重力，给采矿作业带来诸多困难。因此，需要开展相关研究，确保机器人在微重力下稳定作业；提高采矿效率；避免资源流失；实现采矿机器人平台的无人化、自主化协同工作。

太空资源勘探与采选：突破瓶颈，创新技术

针对太空微重力环境下资源勘探与采选的紧迫需求，开展一系列关键技术研究。如精准探测埋藏资源；实现高效开采；提高资源分选效率；形成太空埋藏资源的精准勘探、智能开采与分选的技术系统。

空间安全与资源原位利用：保障安全，充分利用

太空采矿面临着空间安全问题，同时需要考虑太空资源成分和实际成品需求。开展太空采矿的安全理论与技术、采矿的安全监测与监管技术研究，保障采矿工作和空间站运行维护的安全；突破微重力环境下的空间环境监测、太空资源的利用途径、太空资源就地加工与原位利用、太空资源快速运输等技术难题，为太空采矿提供资源保障。



机遇及愿景：厚积薄发，未来可期

近年来，我国航空航天技术飞速发展，从神舟到嫦娥，再到天宫空间站，成就斐然，跻身世界先进行列。2020年火星探测器发射计划进一步拓展深空探测。这些成果为太空采矿奠定了坚实基础。



我国太空采矿发展时间规划

我国矿产资源丰富，开采技术先进，但太空采矿发展缓慢，主要缺政府及立法支持。

为实现弯道超车，我国应加快太空采矿进程，制定法律，整合资源，积极开展实践。叶培建院士认为，10年内可开展示范性工程，50年内可实现大规模开采。

太空采矿是人类对未知的探索，对未来的谋划。虽面临挑战，但科技不断进步，国家、私人公司和科研院所共同努力下，太空采矿必将从科幻走向现实，为人类文明可持续发展开辟新篇章。

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