月球商业采矿新竞赛开始

2020/7/29 9:35:37 来源:新浪科技 作者:翻译 小叶 责编:骑士

早在 1969 年,人类就已经通过美国 “阿波罗计划”首次成功登陆月球,并在接下来的 3 年里,陆续将 12 位宇航员成功送上月球。这段密集的探月浪潮源于1958年至 1976 年的美苏空间竞赛,两国先后发射了上百个月球探测器。然而 “阿波罗计划”结束后,探月竞赛热度渐冷,人类探索月球的脚步也逐渐放慢,在 1976 年至 1994 年间,全球只有日本进行过 1 次探月活动。2003 年 9 月,欧空局第一个飞向月球的探测器 SMART-1 卫星发射升空,并于 2006 年 9 月 3 日成功撞击月球表面。

新一轮探月热情在上世纪 90 年代被迅速点燃。美国于 1994 年 1 月 21 日和 1998 年 1 月 6 日分别发射的 “克莱门汀”号、“月球勘探者”号探测器,发现月球两极存在大量水冰,随后更多的国家加入了探月大军。2007 年至 2008 年,人类探月的脚步加快,包括日本的第二个月球飞行器 “月亮女神”、中国第一个月球飞行器嫦娥一号成功进入月球轨道,印度的月船 1 号也紧随其后。

目前美国已经成功登月 6 次,并计划在 2024 年再次载人登月。而我国虽起步较晚,但探月进程也在大步赶上。在 2004 年正式开展月球探测工程之后,包括嫦娥一号至四号探测器的 “无人月球探测”阶段进展顺利,“载人登月”阶段的工作业已提上日程。日前俄通社还曾报道,俄罗斯航天局局长表示,俄罗斯很可能与中国一起,在月球上建立联合研究基地。

然而虽然人类在 50 年前即已登陆月球,但时至今日,依旧还未真正搞清楚开发这一邻居星球的最佳方案。今年 5 月初,美国政府允许本国商业公司在月球表面开采,似乎为月球表面商业开发打开了一扇大门。而这一举动究竟是人类月球开发的新起点,还是打开潘多拉魔盒的第一步?

美国激进的商业开采计划

许多月球商业化开发支持者都未曾想到能等到这一时刻的到来,美国政府对月球商业开发产生浓厚兴趣,从这个角度来看,未来月球商业前景非常乐观。

美国政府这一最新许可令也产生了诸多争议,1967 年冷战时期,美签署了《外层空间公约》,禁止任何国家对地外天体拥有主权,但该公约中并未禁止对地外天体商业化开发。

2015 年,《外层空间公约》遭受了 “打击”,当时奥巴马政府签署了《美国商业太空发射竞争力法案》,使美国人拥有和出售从 “地外星球商品”成为合法行为。

这项最新政府许可令清晰地表明,美国现任政府支持月球商业开发。但要实现月球商业开采,需要的不仅是一项许可令,自上世纪 60 年代首次提出月球开采构想以来,实现该目标的技术和经济挑战已被证明是非常艰巨的。

数十年以来,美国宇航局的月球探索计划仅是原地转圈,未来由实业家、工程师和科学家组成的国际团队,将不畏艰险,能将月球作为人类工业前哨的太空基地,现在政府和商业公司实验室已规划设计了如何实现月球采矿,紧凑型发电、太空机器人和风化层开采等关键环节,均已取得实质性进展,该计划不仅有效,而且具有可行性。

“新千年,旧战役!”

维尔纳 · 冯 · 布劳恩

月球采矿的故事实际开始于两位火箭科学先驱之间的观点分歧,其中一位科学先驱是维尔纳 · 冯 · 布劳恩,这位德裔美国火箭科学家先驱曾负责美国宇航局土星 5 号火箭研发设计,对于布劳恩和他的支持者而言,行星是太阳系的 “王冠宝石”,通过探索行星将获得很多科学声望。

另一位科学先驱是美国物理学家杰拉德 · 奥尼尔,在他 1976 年出版的《高边界》一书中,他主张人类基础设施应当远离行星,脱离地球引力所产生的能量消耗的需求——这是太空飞行中最困难的环节。轨道殖民基地是奥尼尔的构想,但他主张利用月球资源,建造体型庞大的旋转空间站。

蓝色起源公司创始人杰夫 · 贝佐斯强烈支持这一想法,甚至在 2019 年 5 月 “蓝色月球登陆器”发射过程中还倡导实现奥尼尔的轨道基地。

美国佛罗里达大学资深行星物理学家菲利普 · 梅泽尔称,据我所知,我们从未做过科学研究或者调查,但我认为美国宇航局更倾向于布劳恩的观点。据悉,他在美国宇航局工作了 30 年。

而同样是太空探索巨头的马斯克尽管从未承认过这一点,但他的终极目标是在火星表面建立殖民基地,逐渐实现载人火星任务的梦想,而其他任何事情,尤其是探索月球,并未引起他足够大的兴趣。

目前美国宇航局希望能将第一批人类送上火星,他们对月球探索开发的兴趣同样并不大。

而中国则正在有条不紊的实践探月计划,载人登月、开发月球也在计划之内。据《科技日报》报道,去年 11 月 1 日中国航天科技集团公司科技委主任包为民曾透露,中国将力争在本世纪中叶建成地月空间经济区。

报道称,地月空间经济区的范围主要集中在近地空间、月球引力空间和地月转移空间,其业态包括基础产业、应用产业、开发与利用产业、拓展产业,将由航班化地月空间运输体系、空间资源探测与开发体系、空间基础设施体系三大体系组成。有专家预测,到 2050 年前后,中国每年在地月空间经济区的总产值可达 10 万亿美元以上规模。

欧盟和日本也在紧锣密鼓地准备月球采矿行动。2019 年 1 月 21 日,欧洲空间局宣布已就月球采矿技术与欧洲火箭制造商阿丽亚娜集团签署了一份为期 12 个月的合同,并计划于 2025 年开始相关探测任务。阿丽亚娜集团表示,该任务的目的是提取月球表层风化土。

日本月球探测初创伊空公司专家也曾公开表示,目前已经可以运送设备并在月球表面着陆,勘探技术设备包括漫游车和着陆器,能够携带设备勘探月球水和氧等资源。伊空公司计划了两项月球行动,首次行动是在 2021 年,将在月球赤道上放置漫游车,第二次行动是 2023 年在月球南极开展。

随着人类加大太阳系的探索力度,关于月球探索的观点分歧将逐渐平息,月球采矿支持者最担心的是上世纪 70 年代登月计划重演,他们认为:如果我们通过外星球工业支持地球经济发展,那么我们就可以创造一个太空经济环境,使未来火星任务的成本大幅降低,变得切实可行。同时,如果太空技术发展太快,跳过地月太空工业建设,那么未来的火星任务也将基础不牢,以另一个阿波罗时代的方式告终。

月球资源有啥?

即使月球采矿支持者希望未来人类采集月球资源,但迄今科学界仍未对如何开采月球资源达成一致意见。甚至最基本的问题——什么物质应当被提取和销售,也随着时间的推移而改变。无可否认,月球上有许多具有吸引力的资源,其中包括:建筑金属、制作太阳能电池板的硅、以及用于聚变反应的氦 - 3。几年前部分人曾提出开采月球常见、地球非常稀有的资源,之后将它们带回地球高价销售。

随着时间推移,月球资源利用问题发生了变化:如果通过月球资源直接获利,而不是重点关注月球资源市场,将会怎样?该开采模式下选择的最佳月球资源是氧气。按照质量进行计算,月球含氧量为 42%,而太空飞行最大费用就是发射时的氧燃料。

该观点是采集氧气作为太空燃料,并用于生命维持系统,但仍需从地球运输大量氢气。美国宇航局正在探讨该方案的可行性,事实上这些资源可在月球任何区域进行采集,方法是剥离含有氧的月球表层土,如果要采集月球上的氢,就意味着需要在月球陨坑中搜寻潜在的月球冰。

冰是后阿波罗时代最重要的太空资源,近些年科学家才发现月球潜在着大量冰物质,人们可将水分解成氢和氧,这是已知最有效的化学推进剂,也可用于制造火箭燃料。

这一切都归结到如何采集太空冰,月球是地球最亲密的邻居,是地球的卫星,从 1994 年发射 “克莱门汀号”环月轨道探测器至近年发射的月球勘测轨道飞行器,现已有多颗遥感宇宙飞船环月飞行,并且在深不见底的月球陨坑中发现大量永久冰。

十几年前,月坑观测和遥感探测器(LCROSS)撞击在处于永久阴影区的月球陨坑,之后另一颗探测器对撞击溅射物质进行取样分析,发现溅射物质中 5% 是水,因此推测月球永久阴影区陨坑中存在冰,但研究人员仍有很多问题。月球与行星研究所科学家朱莉 · 斯托普(Julie Stopar)说:“现在我们正处于一个探索时代,从发现阶段过渡至定性和验证阶段。”

美国宇航局资助了一批小型太空任务,与一些新太空公司建立合作关系,计划发射一些探测器探索月球。商业月球有效载荷服务(CLPS)首个机器人任务将于明年发射,之后还会有更多的任务。着陆器将配备铲子和分光仪采集月球化学成分,像 “月球漫步者器”探测器将配备传感器测量表层土成分,包括水含量。

其中最重要的太空任务是 2022 年发射的 “蝰蛇号”探测器,它将调查分析月球极地挥发性物质,该探测器还配备了钻头等多个设备,这部汽车大小的探测器将绘制首张月球水资源地图。

蝰蛇号将提供关于月球水冰分布、丰富程度、形状和表面环境条件的第一手资料,其勘测地点位于‘阿尔特米斯’号(美国宇航局载人航天任务)宇航员着陆地点或者类似位置,该勘测任务将清晰呈现月球南极状况,证实月球南极是否是人类可以登陆和生活的区域。”

这些太空任务将支持未来月球商业开采的发展,一些信息有助于实现建造月球人类基地,而另一些信息对于采集月球矿资源非常重要。但是仍有一些悬而未决的问题,例如:小行星何时、如何碰撞月球,将水资源带到月球,要搞清月球历史问题,勘测月球陨坑内部将获得重要线索。

我们正从发现阶段进入至特性描述和验证阶段!

目前人类还没有一个很好的月球资源模型,在月球上获得的任何勘测数据都有助于增强人类对月球地质结构的认知了解。

虽然一些月球勘测数据很重要,但当前没有商业月球有效载荷服务(CLPS)任务,探测可能存在较多水冰物质的陨坑。月球陨坑采矿提倡者希望获得更多精确数据开展勘测,我们从未在月球永久阴影区域着陆,使用灵敏仪器取样,并高度肯定月球水冰的存在,事实上,我们仍不知道月球冰层的具体状态,以及它们是如何与风化层混合在一起。

哪里有挑战,哪里就有航空工程师研究相关的解决方案,洛克希德 · 马汀公司正在赞助一支研究团队,用于研制一种叫做 “维里塔斯(Veritas)”的探测器,该公司将发射 “麦肯德利斯号”月球登陆器致力实现商业月球有效载荷服务,从而证明月球表面存在水冰。

“维里塔斯”探测器将携带足够使用一整天的电池进入永久阴影陨坑,在陨坑底部着陆后该探测器将在 200 米半径范围的周边方向发射 6 个小型、装满传感器的 “松鼠”包裹,使用探地雷达和传感器系统的勘测数据,该探测器可在不需要额外重量、成本和其他限制的情况下进行广域勘测。

一旦发现月球存在水冰的秘密,接下来就是考虑如何将水冰加工为火箭燃料,随着时间推移,该发现将演变为商业太空竞争和国家太空规划。

月球探索炙手可热

月球采矿并不完全像地球陆地采矿,部分月球采矿支持者现已设计一种新方法从冰冷月球表层土中解冻冰层,该方法是 “热采矿法”。

热采矿法是将足够高温度的热量直接施加至月球表面,将冰转化为水蒸汽,本质上是通过升华过程越过液相(liquid phase),之后蒸汽会被收集在一个较大的遮篷中,重新冷冻然后运送到一个电解站,在那里冰会被分解成氢和氧。

最新研究表明该方法可以从月球物质中成功提取燃料成分,报告称,创新概念研究中,直接加热会使冰升华,证明热采矿法是切实可行的。

同时,该研究报告还评估了在月球建造一处燃料基地的最终规模,推进剂生产设备重量为 26 多吨,每年可生产 1100 吨推进剂燃料,可开发部署在月球表面,成本大约 25 亿美元。初步商业案例分析显示,如果推进剂生产运行时间至少为 10 年,那么依据商业和政府对推进剂的需求(包括帮助地球同步卫星到达最终轨道的最高阶段),可实现产能正回报。

直接加热使冰升华的效果已在含冰风化层样本中得到证实

研究人员警告称,该操作过程必须对样本加热至很高的温度,从而确保在有效工业水平将冰转化为蒸汽。初步估算显示,工业规模热采矿处理需要 2.8 兆瓦电力,问题的关键在于如何在月球陨坑中制造如此多的电能。

一种方案是在陨坑深处建造一个小型核反应堆,目前美国宇航局致力于该技术的研发,并取得了一些技术突破。2018 年,美国洛斯 · 阿拉莫斯国家实验室、内华达国家安全站和美国宇航局合作,使用斯特灵技术千瓦反应堆(KRUSTY)实现 28 小时全功率电能供应。

美国宇航局喜欢这种裂变反应堆,因为它可以连接至斯特林发动机,这是一个封闭循环、能量可再生设备,并且使用寿命长,维护费用低,是一种能有效为外太空热采矿作业提供动力的能源制造方案。

然而,斯特灵技术千瓦反应堆使用的是 Y-12 高浓缩铀(HEU)作为燃料来源,HEU 反应堆更轻,像这样的紧凑型动力源在太空环境中具有一定优势,但是该设施很容易转换为改良型核设备,其使用过程必须充分考虑后勤保障和严格的安全监督。

由于这些原因,过去几年时间里科学家研制一批小型、商用低浓缩铀(LEU)反应堆,它们被称为微型模块反应堆,简称 MMR。目前,研制商用低浓缩铀的公司正在积极满足月球采矿的需求,部分公司已将他们的最新技术应用于太空领域。

超安全核能公司(UltraSafe Nuclear Corp)就是其中一家公司,该公司销售 LEU 裂变反应堆,并制造一种 “Pylon”反应堆。公司研究人员指出,在永久阴影陨坑中勘探月球资源,并利用热能处理当地资源非常适合核能开发利用,然而尽管反应堆提供电能的前景非常好,具有很广阔的开发潜力,但出于技术发展和政策限制,核能开发经常被排除在考虑范围之内。目前,相关研究机构表示,太空核能研发技术和政策的瓶颈限制可以突破。

如果未来美国宇航局计划在月球陨坑深处进行开采,超安全核能公司非常明确地表示,该公司的产品符合该项太空任务的要求规格,“Pylon”反应堆就可以,未来可通过一个大型商业月球有效载荷服务着陆器将该反应堆运送到月球表面。

核能开发

在过去半个世纪里,人们一直在考虑如果开发月球资源,核能热采矿并不是唯一的选择,欧洲航天局正在研制一种熔盐电解系统,它被称为 “首个直接将固体月球表层土模拟物加工成粉末”的例子,该模拟物几乎可以提取所有氧气,将月球风化层与融化的氯化钙盐放在一个金属篮子中作为电解液,之后再加热。

欧洲航天局正在研制一种熔盐电解系统,它被称为 “首个直接将固体月球表层土模拟物加工成粉末”的例子,该模拟物几乎可以提取所有氧气,将月球风化层与融化的氯化钙盐放在一个金属篮子中作为电解液,之后再加热。

该系统仅需将风化层物质加热至 950 摄氏度,而不是融化表层土。依据欧洲航天局的观点,电流可使氧气离开表层,穿过盐层,在阳极区域收集起来,作为一个额外的好处,该处理过程可以从月球风化层提取可用的金属合金。

英国格拉斯哥大学贝斯 · 洛马克斯(Beth Lomax)称,能够从月球资源中提取氧气,将对未来人类定居月球非常有用,无论是供给人类呼吸,还是作为本土火箭燃料制造。据悉,洛马克斯的技术研发获得欧洲航天局的大力支持。

另一个观点是由索尔斯提出的,他借鉴了古代镜面反射原理,希腊数学家阿基米德利用镜面反射阳光点燃入侵者的木船。依据相同原理,他计划在月球陨坑边缘设置定日镜(可移动的镜面),可以将阳光直接照射在冰冷的风化层。索尔斯认为,在陨坑边缘每隔 120 度分别放置 3 个定日镜,可以确保稳定的阳光照射到陨坑底部的矿井,同时 2 个定日镜可将阳光照射在蒸汽捕获遮篷和燃料加工站。

第三个观点完全不同于热采矿法,梅泽尔基于美国宇航局创新先进概念基金资助下研究浅层陨坑中含有细粒冰的迹象,他说:“如果是这样的话,那么我认为最简单的提取方法就是进行颗粒分类。”

浅层陨坑产冰量较小,可能仅有 2%,相比之下,深层陨坑产冰量较高,大约 5%,但是深层陨坑采集作业带来诸多挑战,尤其是高等级供电需求,对浅层陨坑进行更简单的 “挖掘 - 筛选”系统可使月球首个采冰矿井开始运转。

在科幻电影中月球采矿似乎是不可能完成的任务,但目前基于成熟的技术和方案,科学家们已构想了如何从月球上采集宝贵资源。在国家政府和航天机构的支持下,一些国家的月球矿工们已跃跃欲试了。如果各国政府加大投资,人类就有希望启动月球采矿业,越早开始,就能越早地提高人类探索太空的能力,加快人类对太空的认知。

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关键词:月球采矿

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