太空采礦，離現(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)

原標(biāo)題：太空采礦，離現(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)（瞰前沿）

圖①：華中科技大學(xué)提出的月球玄武基地方案模擬圖。華中科技大學(xué)供圖 圖②：太空采礦機(jī)器人試驗(yàn)機(jī)。中國礦業(yè)大學(xué)供圖

浩瀚宇宙中蘊(yùn)藏的豐富資源，一直吸引著科學(xué)家去探尋。前不久，中國礦業(yè)大學(xué)研制出我國首臺(tái)太空采礦機(jī)器人，這一科技突破，再次引起人們對(duì)太空資源的關(guān)注。為了追逐太空采礦夢想，科學(xué)家在太空資源勘查、鉆孔技術(shù)及原位利用等方面開展了一系列探索研究。“星際礦工”如何采礦？本期“瞰前沿”，我們就來看看太空采礦離現(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)。

——編 者

為什么去？

既能獲取地外資源，也能牽引深空探測技術(shù)發(fā)展

人們向往太空采礦，最直接的需求是獲取太空資源，以應(yīng)對(duì)未來地球礦產(chǎn)資源可能枯竭的難題。

太空有哪些資源？遠(yuǎn)的不說，月球、太陽系中的小行星等就蘊(yùn)藏著豐富的資源，其中一些還是地球缺乏的?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，月壤含有豐富的太陽風(fēng)氣體，其中有可控核聚變的重要原料——氦—3；月球上廣泛分布的克里普巖，富含釷元素和稀土元素，且儲(chǔ)量很可觀。

在木星和火星軌道之間有一個(gè)小行星帶，主要由巖石和金屬構(gòu)成的小天體組成。這些小天體富含鐵、鎳、鈷、鉑族金屬等，以及水冰和氫氧化物，可用于太空基建、能源供應(yīng)和生命支持等。

太空采礦的意義不止于此?！疤詹傻V與空間技術(shù)、采礦學(xué)、空間信息科技以及天文學(xué)、行星科學(xué)等密切相關(guān)，能夠牽引科技與太空探索的發(fā)展?！敝袊V業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授劉新華說。

近地小行星因其資源集中、開發(fā)潛力大且技術(shù)門檻較低，成為科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。劉新華介紹，小行星帶中的鉑族金屬儲(chǔ)量驚人，一顆直徑1公里的小行星可能蘊(yùn)含1億噸鉑，潛在開采價(jià)值很高。

哪些太空資源值得開采？在廣東深圳科學(xué)技術(shù)館館長、深圳理工大學(xué)教授鄭永春看來，太空資源主要包括兩方面，即地球上稀缺的、值得花巨大代價(jià)去開采的一些高價(jià)值資源，以及長期太空生活所需的資源（比如有機(jī)物、水）。“有的資源從地球上帶過去，成本非常高，必須原位利用。”鄭永春說。

哈勃望遠(yuǎn)鏡曾對(duì)小行星帶內(nèi)的靈神星進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)它的金屬含量高達(dá)82.5%，且這些金屬大多暴露在表面。

鄭永春解釋，小行星是太陽系形成之后的殘留物，有的以巖石為主，有的以金屬為主。據(jù)估計(jì)，靈神星的主要成分是硅酸鹽巖石和鐵、鎳等金屬。

難在哪兒？

深空通信、能源供應(yīng)、運(yùn)輸物流等環(huán)節(jié)都面臨巨大挑戰(zhàn)

太空采礦是一個(gè)長期的、極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

首先是微重力環(huán)境作業(yè)的挑戰(zhàn)。小行星質(zhì)量相對(duì)較小，引力極低，有的甚至接近零重力。傳統(tǒng)采礦設(shè)備在這樣的環(huán)境里難以穩(wěn)定作業(yè)，可能因反作用力而失控，礦石采集運(yùn)輸效率極低。

“我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的太空采礦機(jī)器人，其基本形態(tài)為6足模式，有3個(gè)輪足和3個(gè)爪足，主要是為了適應(yīng)太空中的微重力環(huán)境。”劉新華說，為解決失重帶來的漂移，科研團(tuán)隊(duì)模擬昆蟲的爪刺結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了特殊的爪刺足。

除微重力的問題外，太空采礦工作還要面對(duì)原位資源利用的技術(shù)限制、極端輻射等情況，以及深空通信、能源供應(yīng)、運(yùn)輸物流等困難，每一個(gè)都是巨大的挑戰(zhàn)。

以能源供應(yīng)為例，傳統(tǒng)的深空探測依賴太陽能，深空或小行星帶光照弱，太陽能電池效率大幅下降。小型核反應(yīng)堆仍處于試驗(yàn)階段，穩(wěn)定性和安全性有待驗(yàn)證?！伴L期任務(wù)依賴可持續(xù)能源，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足高能耗需求。”劉新華說。

“將礦石從深空運(yùn)回需克服巨大引力場，燃料消耗成本極高；若資源用于建設(shè)月球和火星基地，需建立軌道中轉(zhuǎn)站和可重復(fù)運(yùn)輸系統(tǒng)，目前技術(shù)成熟度低?！眲⑿氯A說。

為解決一系列難題，劉新華教授團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室模擬近地小行星環(huán)境，在地面對(duì)太空采礦機(jī)器人工作進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該機(jī)器人結(jié)合輪足與爪足設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)月球和小行星的復(fù)雜地形，集移動(dòng)、錨固、鉆探和采樣功能于一體，可同時(shí)處理多種資源。另外，通過模擬微重力的懸掛機(jī)構(gòu)，測試了該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的可行性。

“太空采礦成本主要與運(yùn)載能力相關(guān)?！编嵱来赫f，大幅度降低從地球到太空之間的運(yùn)輸成本，是“星際采礦”的前提，因此實(shí)現(xiàn)火箭重復(fù)利用非常關(guān)鍵。

前景如何？

相關(guān)研究處于初級(jí)階段，科學(xué)家從資源勘查、鉆孔技術(shù)等多方面開展探索

有關(guān)太空采礦的研究目前仍處于初級(jí)階段。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的深空探測，人類積累了較為豐富的資料及前期技術(shù)，其中部分技術(shù)經(jīng)過改造、深化，未來可用于太空采礦，例如資源勘查、鉆孔技術(shù)及原位資源利用等。

在太空采礦裝備的研發(fā)方面，劉新華說，國際科學(xué)界推進(jìn)的研發(fā)主要集中在自主機(jī)器人、原位資源利用、微重力環(huán)境作業(yè)、高效能源系統(tǒng)和材料技術(shù)等領(lǐng)域。例如，日本和美國成功驗(yàn)證了小行星采樣技術(shù)；美國國家航空航天局專為月球采礦設(shè)計(jì)了機(jī)器人，配備旋轉(zhuǎn)挖掘臂，可在低重力環(huán)境下高效采集月壤。

“短期內(nèi)，試驗(yàn)性開采將以月球和小行星為目標(biāo)，推動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證和商業(yè)化探索；中長期來看，太空采礦有望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，支持月球和火星基地建設(shè)，并催生太空經(jīng)濟(jì)。”劉新華說。

鄭永春認(rèn)為，太空采礦的主要目的是滿足未來人類在太空中長期生活的需求，比如建立月球基地、火星城市等。“很大程度上，太空探索的進(jìn)展程度取決于人類的決心。太空探索的投入似乎看不到產(chǎn)出，但會(huì)對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生巨大的帶動(dòng)作用，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值?！?/p>

太空采礦機(jī)器人的未來形態(tài)是什么樣？

在劉新華的設(shè)想中，它是全自主的“太空工廠”，即具備自修復(fù)能力與跨天體適應(yīng)性，可以遠(yuǎn)程操控，或通過腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)深度融合。要實(shí)現(xiàn)這些，有賴于人工智能、材料科學(xué)和能源技術(shù)等方面的突破，以及全球太空資源開發(fā)上的深度合作。

太空采礦機(jī)器人目前仍處于持續(xù)完善中?！皥F(tuán)隊(duì)將圍繞模塊化、智能化和資源高效利用等方面持續(xù)優(yōu)化?！眲⑿氯A說。