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????????這是一篇對(duì)外星資源開采的現(xiàn)狀與未來的粗略探討的文章。我們先不聚焦于過于遙遠(yuǎn)的將來，而是把目光放在30年的未來。既然問到了是否需要開采外星資源，我們總是需要找到一個(gè)能讓人信服的理由。
????????在最近一段時(shí)間我們能聽到許多關(guān)于外星資源開采的設(shè)想，如開采金屬小行星、開采月球氦-3和開采月球水冰?？偟膩碚f，開采外星資源的用途分為兩種：一種是開采資源帶回地球?yàn)榈厍虬l(fā)展而服務(wù)，另一種則是開采資源并當(dāng)場(chǎng)利用，如制造推進(jìn)劑、維生物資。下文將圍繞這兩種用途展開。

1.為地球發(fā)展開采外星資源? ??

????? ? 開采的外星資源分為兩種：一種是能源類物質(zhì)，如氦-3：另一種是材料類物質(zhì)：如鈦、鉻、稀土元素等。

????? ?首先是能源類物質(zhì)，如果開采這種能源物質(zhì)所需的能源就大于利用其本身，或是有一種另能源物質(zhì)能完全替代從外星開采的能源物質(zhì)，那么開采這種能源類物質(zhì)是沒有意義的。目前基本上只有氦-3這一種外星能源能夠被我們加以利用，其作為聚變?nèi)剂暇哂蟹派湫孕?、易于控制的特點(diǎn)。氦-3在地球上的儲(chǔ)量十分少，最多只有500kg，但在月球中儲(chǔ)量極為豐富：目前認(rèn)為月壤的氦-3存量預(yù)計(jì)達(dá)100 萬噸。這聽起來十分誘人，但我們進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每平方千米的氦-3存量只有可憐的26g，并且還埋在月球表層10~50m深的月壤內(nèi)。與其相信在人類20年內(nèi)能把機(jī)器送上月球，在地表上挖出一個(gè)幾平方千米的深30米的坑來開采氦-3，還不如相信ASPT永遠(yuǎn)不會(huì)斷更。而少了氦-3完全不會(huì)讓人類的核聚變事業(yè)停止發(fā)展，用氘和氚進(jìn)行核聚變?nèi)匀挥蟹浅：玫那熬啊?/span>

????????其次是材料類物質(zhì)，一般可以按照開采目標(biāo)分為開采小行星資源和開采行星/衛(wèi)星資源兩種。首先對(duì)小行星上的物質(zhì)進(jìn)行開采就很不實(shí)際。如何開采？用機(jī)器人？如此低的重力如何固定開采設(shè)備？如果開采的物質(zhì)埋在內(nèi)部又如何開采？我們不能對(duì)一個(gè)小行星上的全部想要的材料進(jìn)行開采。況且一般的小行星只會(huì)含有鐵、硅、鎳、鈦等資源，實(shí)在是沒有開采價(jià)值。但有些小行星會(huì)含有貴重金屬，就以我們這里可以用開采富含鉑族金屬的小行星做例子。

? ? ? ?在文章《How Many Ore-Bearing Asteroids?》中，通過對(duì)地球上鐵隕石中銥含量的統(tǒng)計(jì)，推測(cè)出了小行星中鉑族金屬的含量。如下表所示：

????????我們就以開采一個(gè)鉑族金屬含量為30ppm的小行星為例，也就是該小行星中每一噸中就含有30g鉑族金屬。假設(shè)該小行星的質(zhì)量為一億噸，則共有3000t鉑族金屬。按照每盎司900美元計(jì)算，則將這些金屬全部開采帶回地球能賺取接近一千億美元。假設(shè)我們要開采的小行星位于小行星帶中，則去程速度增量為8500m/s，再次入軌地球所需速度增量為5500m/s，按照發(fā)動(dòng)機(jī)比沖為460s計(jì)算，我們需要攜帶約67000t燃料。若是按照近地軌道每千克2000美元計(jì)算，僅僅是把這67000t燃料運(yùn)至近地軌道就需要1.34千億美元，何況我們還沒有加入開采設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)、巨大的燃料罐的質(zhì)量，也沒有考慮燃料的蒸發(fā)。再有，我們也完全不能做到把一個(gè)小行星上的所有礦產(chǎn)都開采完。因此這樣的小行星開采完全是得不償失的。

????????總的來說，人類目前來說還沒有能找到值得開采并帶回地球的外星資源，即使真正發(fā)現(xiàn)了，也缺少開發(fā)其的技術(shù)。

2.為太空探索開采外星資源???

????????這一段其實(shí)才是本文的重頭戲。既然不能把采集到的資源運(yùn)送回地球，倒不如當(dāng)場(chǎng)使用這些資源，為太空探索而服務(wù)。

????????我們當(dāng)前的目標(biāo)可以聚焦于月球采礦而不是小行星或火星采礦，月球上有豐富多樣的礦產(chǎn)資源，如硅酸鹽、鈦鐵礦、水冰；它離地球很近，能夠允許我們運(yùn)輸重型的采礦設(shè)備到其表面；月球也是我們未來太空探索的重點(diǎn)，我們希望能對(duì)月球資源進(jìn)行一定程度上的利用。而小行星采礦目前來說還是過于遙遠(yuǎn)，而且沒有特別多值得開采的資源。

????????那我們可以拿什么資源來服務(wù)于月球探測(cè)呢？我們希望能有火箭推進(jìn)劑，有氧氣和水給航天員供應(yīng)，甚至用月壤進(jìn)行建筑，在月球表面生產(chǎn)太陽能電池。其實(shí)有個(gè)名詞就描述了這一行為，叫做原位資源利用（ISRU）。這聽起來很美好，但我們也要有充分的理由來讓我們?nèi)プ鲞@件事。

????????在月面進(jìn)行建筑、生產(chǎn)產(chǎn)品有些遙遠(yuǎn)。我們就以一個(gè)載人月球探測(cè)任務(wù)為例，開采資源為我們提供推進(jìn)劑和維生資源。?我們先來看看，月球上有什么東西可供我們開采。

????? ?2.1 硅酸鹽

????????硅酸鹽在月壤中的含量是很豐富的，硅元素的月面平均質(zhì)量豐度為16.4%，而其氧化物的月面平均豐度為45.5％。但是提取其中的氧元素需要我們自帶還原性物質(zhì)，且反應(yīng)爐的溫度非常高，其反應(yīng)系統(tǒng)十分復(fù)雜。而且我們沒有大規(guī)模挖取外星土壤的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生的液氧也只能作為氧化劑，我們只能自帶燃料。研發(fā)如此昂貴的系統(tǒng)產(chǎn)出的效益卻很小。

????????以下是《面向載人月球及火星探測(cè)任務(wù)的原位資源利用技術(shù)》中概括的提煉方案：

????????1）首先將系統(tǒng)運(yùn)輸至月表

????????2）挖掘機(jī)和搬運(yùn)機(jī)采集月壤，將其運(yùn)送至氧氣制備裝置

????????3）挖掘機(jī)和搬運(yùn)機(jī)運(yùn)輸廢渣至廢棄場(chǎng)

????????4）太陽能集熱器加熱還原室內(nèi)的月壤，通入甲烷

????????5）一氧化碳作為生成物流過過濾器，將其中的硫化物過濾掉

????????6）一氧化碳與氫氣在還原室生成水和甲烷

????????7）反應(yīng)生成的水冷凝過濾后送入質(zhì)子交換膜電解池

????????8）甲烷再次送入還原室與月壤反應(yīng)，循環(huán)利用

????????9）生成的氫氣分離出水再進(jìn)入反應(yīng)室循環(huán)利用

????????10）生產(chǎn)的氧氣經(jīng)過干燥后液化儲(chǔ)存

????????2.2 FeO?????

????? ? FeO主要儲(chǔ)存在月海中。月海中FeO的平均含量為14%，一些地區(qū)中的FeO含量約為25%以上。其提取條件比上者好，提取復(fù)雜度也沒有上者高。一般是使用氫氣還原FeO，生成水后再進(jìn)行電解。還原溫度約為1100℃。其缺點(diǎn)就是也是只能生產(chǎn)氧化劑，開采還是要大量挖取月壤，溫度條件較為苛刻。根據(jù)NASA的“棒球卡（baseballcard）”報(bào)告，在月球開采FeO，年產(chǎn)量10t氧氣的情況下，系統(tǒng)總質(zhì)量為563kg，功率為13kW，月壤供給速率為83kg/h。

????????2.3 水冰

????????月球上的水冰來自于小行星的撞擊。在月球的南北極地區(qū)，由于高山、撞擊坑的阻擋，很多地方一年中極少有太陽照射甚至完全沒有太陽照射，這種環(huán)境便可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存水冰。目前較為可靠的說法是含水月壤的水含量為5wt%，且表層月壤是干性不含水的。

????????相比來說，南極的水冰含量要高于北極。在最近兩年我們能聽到許多關(guān)于月球南極的探測(cè)計(jì)劃，如中國(guó)的“嫦娥”六、七、八號(hào)，俄羅斯的Luna-27和美國(guó)的Artmis計(jì)劃。是什么樣的吸引力讓世界各國(guó)都聚焦于月球南極呢？

????????首先，月球南極不僅在地勢(shì)較低的地方有長(zhǎng)時(shí)間陰影區(qū)，在高地也有超長(zhǎng)日照時(shí)間的地區(qū)，能夠滿足月球基地建設(shè)的能源需求。再者，月球南極處于巨大的艾特肯盆地中，艾特肯盆地（Aitken Basin）是月球上最古老、最大和最深的撞擊盆地。因?yàn)榘乜吓璧氐淖矒糨^深，撞擊范圍較大，可能會(huì)將月球深層的成分挖掘出來，甚至更下層的月幔也會(huì)暴露出來，有十分重大的研究?jī)r(jià)值。但最重要的，還是有永久陰影區(qū)內(nèi)的水冰，我們來看看開采水冰的好處：

????????首先，開采到的水冰可以直接通過升溫升華分離，通過電解裝置就能制取高性能的液氫液氧燃料，既有燃料，又有氧化劑。再者，水冰開采實(shí)際上不需要將月壤整塊挖出，只需將鉆頭探入月面，加熱鉆頭即可提取水蒸氣。而且，開采到的氧氣和水還可以作為宇航員生存的維生物資，這是十分重要的，可以大大簡(jiǎn)化維生物資循環(huán)系統(tǒng)，為宇航員的安全提供更大的保障。

????????但開采水冰也不是沒有缺點(diǎn)。首先，水冰處于月球永久陰影區(qū)內(nèi)，如何為開采機(jī)器提供能源呢，而且極低的溫度將為開采機(jī)器的溫控系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn)？再有，月球基地不能建設(shè)在陰影區(qū)內(nèi)，如此遠(yuǎn)的距離和如此高的高度差，怎么運(yùn)輸水資源呢？

????????首先是能源問題，如果給采冰車搭載一個(gè)核反應(yīng)堆，這是超出我們技術(shù)水平且十分昂貴的，我們來看看歐空局的研究：

????????2020年5月，歐洲空間局（ESA）報(bào)道了其激光動(dòng)力月球車項(xiàng)目 PHILIP 的進(jìn)展情況。項(xiàng)目目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套激光系統(tǒng)，在15km以上的距離為月球南極隕石坑永久陰影區(qū)內(nèi)探測(cè)的月球車提供能源。

????????無線能量傳輸是個(gè)好點(diǎn)子，我們來看看這套系統(tǒng)應(yīng)該滿足些什么條件。

????????首先我們應(yīng)該要有采冰機(jī)器位于永久陰影區(qū)內(nèi)，然后又要有能量傳輸著陸器在一個(gè)能接收長(zhǎng)時(shí)光照的地方著陸，同時(shí)對(duì)采冰機(jī)器可見，才能傳輸能量。

????????我們?cè)賮砜纯床杉哪茉葱枨?。在NASA的棒球卡報(bào)告中，采用了一種效率低下的水冰開采方式。采冰車需要開采月壤，然后又運(yùn)送到水萃取車間，然后又離開水萃取車間去采冰地點(diǎn)。該方案中也沒有說明如何把在水萃取車間中的水資源運(yùn)送基地。評(píng)估結(jié)果顯示，每年生產(chǎn)10噸氧氣的情況下，挖掘月壤的能源為66kW！這是完全不能接受的，而如此大的能源需求來自于挖取極低溫下的堅(jiān)硬月壤和來回運(yùn)輸?shù)南摹?br>

????????我們當(dāng)然不能接受這種方式，我們有更好的方法！就如上文所說，直接加熱插入土壤中的鉆頭，就能提取升華的水了。

????????《含冰星壤鉆取密封與水資源提取轉(zhuǎn)化技術(shù)研究》一文中進(jìn)行了對(duì)此開采方案的實(shí)驗(yàn)。

鉆取階段：

????????“在193K冷凍條件及模擬月壤含水率2%～6%之間時(shí)，鉆取過程的功耗均不超過100W，總體處于50W以下。”

????????“在鉆取深度30cm時(shí)，鉆具內(nèi)所能輸運(yùn)的土壤重量約為900g，總體輸運(yùn)速率在1.8～2.0 kg/h?！?/span>

該研究中加熱水的方式為光熱加熱：

????????“太陽模擬器在輸入電功率3.5kW條件下，其輸出的光通量400W。射入鉆具內(nèi)部后，經(jīng)高反段反射進(jìn)入高吸段的總光通量325W”

????????“當(dāng)冰凍月壤的初始含水率為6%時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，光熱輸入后在蒸汽管路內(nèi)很快有蒸汽出現(xiàn)（<5min），冷凝器內(nèi)的液滴凝結(jié)快速且連續(xù)，約30min后液態(tài)水收集速率顯著上升。在70 min有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，共獲得31g液態(tài)水，平均取水速率為26.6g/h。然而，當(dāng)樣品含水率降為4%時(shí)，取水速率明顯下降。一方面預(yù)熱時(shí)間延長(zhǎng)（>10 min），同時(shí)液滴凝結(jié)呈現(xiàn)為間歇滴落狀態(tài)，在110min后共獲得12g液態(tài)水，平均取水速率為僅6.5g/h。而當(dāng)初始含水率為2%時(shí)，預(yù)熱時(shí)間顯著較長(zhǎng)。由于實(shí)驗(yàn)前期水汽密度很低，液滴冷凝變得低效，只有當(dāng)管路內(nèi)的水蒸汽 達(dá)到一定密度后，才出現(xiàn)液滴連續(xù)冷凝，該工況下獲得的平均取水速率為6.2g/h?！?/span>

????????該實(shí)驗(yàn)對(duì)于月球水冰開采的實(shí)現(xiàn)有十分大的參考作用，但問題在于，實(shí)驗(yàn)中的模擬溫度為193K，而實(shí)際上月球永久陰影區(qū)內(nèi)的溫度為25~70K。如此大的溫度差距對(duì)于月壤的硬度影響是十分大的，實(shí)際的開采功率一定比該實(shí)驗(yàn)高許多。而且我們需要高的多的開采效率，每年開采的水冰至少要30t以上。

????????美國(guó)的Honeybee公司也在外星土壤采集中做了深入研究，我們來看看他們研發(fā)的鉆頭。

????????2.2W*h/g的Corer鉆頭看起來十分有吸引力，但我們也不知道他們進(jìn)行開采土壤的實(shí)驗(yàn)溫度。這些數(shù)據(jù)難以被我們參考。

????????但假設(shè)我們開采的速率為5kg/h，則按照以上數(shù)據(jù)，所需功率為11kW。我們?cè)俅竽懙募僭O(shè)開采效率為5kg/h時(shí)，所需功率為20kW。再假設(shè)先進(jìn)的無線能量傳輸設(shè)備能讓傳輸效率達(dá)到30%，則能量傳輸著陸器的發(fā)電功率要去到37kW。利用不斷發(fā)展的太陽能電池技術(shù)，達(dá)到37kW的發(fā)電效率也不是太過困難。

????????那怎么運(yùn)輸水資源呢，我們可以把采冰車設(shè)計(jì)為采冰段和水箱段，水箱段可以自主脫離，通過火箭動(dòng)力進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，一個(gè)比較好的方式是剛性連接的天空起重機(jī)。這樣并不會(huì)浪費(fèi)太多的燃料，而大大節(jié)省了運(yùn)輸時(shí)間。

????????由于太陽光照的時(shí)間現(xiàn)在，采冰車將有250天的連續(xù)工作時(shí)間和115天的休眠時(shí)間。在工作時(shí)間內(nèi)一共能開采到30t水，共有3.4t氫氣和26.6t氧氣。按照發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氫氣/氧氣質(zhì)量比1:6.5計(jì)算，設(shè)有3.2t氫氣能夠作為火箭推進(jìn)劑，則有20.8t氧氣也能作為火箭推進(jìn)劑，剩余的氧氣則作為維生資源使用。

????????總共的24t燃料可以加注給一個(gè)強(qiáng)大的推進(jìn)器。推進(jìn)器平時(shí)停放在月面，它滿載燃料為12t，可以從月面起飛，讓三人的宇航員乘組從極月大橢圓軌道降落到月面，而且具有極其重要的ATO能力。相反的，另外12t燃料也可以讓推進(jìn)器把三人乘組送回極月大橢圓軌道，然后推進(jìn)器再自己返回月面。返回時(shí)也可以攜帶一定量的貨物。這樣，相比傳統(tǒng)方式，宇航員一次往返將減少15t的發(fā)射質(zhì)量。

????????減少15t的發(fā)射質(zhì)量真的值得嗎？我們想想為了開采水冰要做什么事。我們要發(fā)射一個(gè)軌道器，通過雷達(dá)、光譜探測(cè)和中子譜儀來了解水冰的詳細(xì)儲(chǔ)存位置與豐度；要發(fā)射一個(gè)巡視器研究永久陰影區(qū)內(nèi)的土壤性質(zhì)；還要實(shí)施一個(gè)采樣返回任務(wù)進(jìn)一步研究水冰開采技術(shù)；還有一個(gè)能量傳輸著陸器和一個(gè)采冰車；一個(gè)水處理車間。為了運(yùn)送這些物資，我們就需要新增加40t的發(fā)射質(zhì)量。何況這些設(shè)備都需要研發(fā)和制造，根據(jù)《面向載人月球及火星探測(cè)任務(wù)的原位資源利用技術(shù)》一書的粗略估計(jì)，以2012年的經(jīng)濟(jì)水平，月球ISRU組件的研發(fā)費(fèi)用為8億美元。這套設(shè)施運(yùn)行五年，節(jié)省的發(fā)射質(zhì)量為35t，就算按照每千克發(fā)射質(zhì)量為10000美元，節(jié)省的發(fā)射費(fèi)用也只有3.5億美元，可以說是入不敷出。

????????先別急，我們?yōu)槭裁床辉龠M(jìn)一步增加水的開采量呢？我們可以采集多12t燃料，這些燃料可以加注給天空起重機(jī)，它可以從月面起飛把10t重的基地艙段從近月軌道運(yùn)至地面，也可以帶著漫游車四處飛行，僅需12t燃料就可以完成阿波羅任務(wù)所有的月面任務(wù)。這些燃料還可以用于加注深空探測(cè)器，讓探測(cè)器飛的更快更遠(yuǎn)。進(jìn)行這三種任務(wù)所節(jié)省的發(fā)射質(zhì)量分別為13t、50t、6t。每年都使用天空起重機(jī)開展載人月面探測(cè)任務(wù)的話每年都能省下6.5億美元。這是頗有成效的。

????????而且別忘了，開采水冰也是一種科學(xué)任務(wù)，是對(duì)月球資源開采的重要研究。沒有ISRU的使用，也會(huì)有采樣任務(wù)采樣永久陰影區(qū)內(nèi)的水冰，也會(huì)有月球軌道器探測(cè)月表。在這樣的水冰開采效率下，建設(shè)一套ISRU系統(tǒng)大約會(huì)增加約55t的發(fā)射質(zhì)量。

????????假如在五年進(jìn)行了三次月面活動(dòng)和一次深空探測(cè)器燃料補(bǔ)加和兩次基地艙段運(yùn)輸。則增加的質(zhì)量約有55t，減少的質(zhì)量約為26t+4*15t+3*50t+6t=242t，則凈發(fā)射質(zhì)量降低約為187t。按照近地軌道每公斤10000美元計(jì)算，則基地建設(shè)五年后就省下了18.7億美元。

????????另外，由于火星更加遙遠(yuǎn)，而且火星有大氣。根據(jù)《面向載人月球及火星探測(cè)任務(wù)的原位資源利用技術(shù)》一書的研究，載人登火探測(cè)任務(wù)利用ISRU技術(shù)是十分必要的。戚發(fā)軔院士評(píng)論道：“人類遲早會(huì)離開地球這個(gè)搖籃移居到其他天體，而月球是最佳的技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)，就像本書中指出火星ISRU具有顯著價(jià)值，那更需要極早在月球上開展演練，才能確保載人火星探測(cè)任務(wù)的成功。”在火星我們可以通過開采地表的水冰和提取大氣中的二氧化碳來生產(chǎn)甲烷和液氧，這樣的方案是更為簡(jiǎn)單且有意義的。

? ? ????雖然這樣規(guī)模的水冰開采對(duì)我們的技術(shù)要求還是特別高的，但是這種方案起碼給出了一種可能。在某些情況下，進(jìn)行外星資源開采的的確確能夠幫助我們更方便地探測(cè)這個(gè)宇宙。外星資源開采并不是完全的空想和騙局。但最最重要的是，利用這些技術(shù)的前提是我們要去建設(shè)月球載人基地，要大規(guī)模開展載人月球探測(cè)任務(wù)。深空探測(cè)的意義已經(jīng)被不少人質(zhì)疑：“為什么我們不拿探測(cè)的錢來養(yǎng)活貧困的人呢？”而載人深空探測(cè)更受人質(zhì)疑：“為什么我們要冒如此大的風(fēng)險(xiǎn)，花如此多的錢進(jìn)行月球載人探測(cè)，載人探測(cè)并不比機(jī)器探測(cè)好?！?/p>

????????拋開政治因素，我想一個(gè)關(guān)鍵的答案是因?yàn)槲覀兪侨?。載人航天的關(guān)注度比非載人航天的關(guān)注度高，是因?yàn)槲覀兪侨?。天問一?hào)著陸火星時(shí)，同學(xué)問我的第一句是：“這上面有人嗎？”嫦娥四號(hào)著陸器總體主任設(shè)計(jì)師李飛在書中寫道，在人們聽到我是嫦娥四號(hào)的設(shè)計(jì)師時(shí)，他們問我：“你上去過嗎？”正因?yàn)槲覀兪侨?，我們理所?dāng)然地成為探索宇宙的主體。

????????雖然這次專欄寫的是外星資源開采技術(shù)，但介紹的內(nèi)容實(shí)在有限。感興趣的讀者可以觀看一下唐納德·拉普寫的《面向載人月球及火星探測(cè)任務(wù)的原位資源利用技術(shù)》，也許會(huì)對(duì)你有所啟發(fā)。