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太空采矿,离现实还有多远?

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来源:人民日报

记者:喻思南

浩瀚宇宙中蕴藏的丰富资源,一直吸引着科学家去探寻。前不久,中国矿业大学研制出我国首台太空采矿机器人,这一科技突破,再次引起人们对太空资源的关注。为了追逐太空采矿梦想,科学家在太空资源勘查、钻孔技术及原位利用等方面开展了一系列探索研究。“星际矿工”如何采矿?一起看太空采矿离现实还有多远。

图① 华中科技大学提出的月球玄武基地方案模拟图。华中科技大学供图

图② 太空采矿机器人试验机。中国矿业大学供图

为什么去?

既能获取地外资源,也能牵引深空探测技术发展

人们向往太空采矿,最直接的需求是获取太空资源,以应对未来地球矿产资源可能枯竭的难题。

太空有哪些资源?远的不说,月球、太阳系中的小行星等就蕴藏着丰富的资源,其中一些还是地球缺乏的。科学家发现,月壤含有丰富的太阳风气体,其中有可控核聚变的重要原料——氦—3;月球上广泛分布的克里普岩,富含钍元素和稀土元素,且储量很可观。

在木星和火星轨道之间有一个小行星带,主要由岩石和金属构成的小天体组成。这些小天体富含铁、镍、钴、铂族金属等,以及水冰和氢氧化物,可用于太空基建、能源供应和生命支持等。

太空采矿的意义不止于此。“太空采矿与空间技术、采矿学、空间信息科技以及天文学、行星科学等密切相关,能够牵引科技与太空探索的发展。”中国矿业大学机电工程学院教授刘新华说。

近地小行星因其资源集中、开发潜力大且技术门槛较低,成为科学界关注的热点。刘新华介绍,小行星带中的铂族金属储量惊人,一颗直径1公里的小行星可能蕴含1亿吨铂,潜在开采价值很高。

哪些太空资源值得开采?在广东深圳科学技术馆馆长、深圳理工大学教授郑永春看来,太空资源主要包括两方面,即地球上稀缺的、值得花巨大代价去开采的一些高价值资源,以及长期太空生活所需的资源(比如有机物、水)。“有的资源从地球上带过去,成本非常高,必须原位利用。”郑永春说。

哈勃望远镜曾对小行星带内的灵神星进行光谱分析,发现它的金属含量高达82.5%,且这些金属大多暴露在表面。

郑永春解释,小行星是太阳系形成之后的残留物,有的以岩石为主,有的以金属为主。据估计,灵神星的主要成分是硅酸盐岩石和铁、镍等金属。

难在哪儿?

深空通信、能源供应、运输物流等环节都面临巨大挑战

太空采矿是一个长期的、极其复杂的系统工程。

首先是微重力环境作业的挑战。小行星质量相对较小,引力极低,有的甚至接近零重力。传统采矿设备在这样的环境里难以稳定作业,可能因反作用力而失控,矿石采集运输效率极低。

“我们团队开发的太空采矿机器人,其基本形态为6足模式,有3个轮足和3个爪足,主要是为了适应太空中的微重力环境。”刘新华说,为解决失重带来的漂移,科研团队模拟昆虫的爪刺结构,设计了特殊的爪刺足。

除微重力的问题外,太空采矿工作还要面对原位资源利用的技术限制、极端辐射等情况,以及深空通信、能源供应、运输物流等困难,每一个都是巨大的挑战。

以能源供应为例,传统的深空探测依赖太阳能,深空或小行星带光照弱,太阳能电池效率大幅下降。小型核反应堆仍处于试验阶段,稳定性和安全性有待验证。“长期任务依赖可持续能源,现有技术难以满足高能耗需求。”刘新华说。

“将矿石从深空运回需克服巨大引力场,燃料消耗成本极高;若资源用于建设月球和火星基地,需建立轨道中转站和可重复运输系统,目前技术成熟度低。”刘新华说。

为解决一系列难题,刘新华教授团队在实验室模拟近地小行星环境,在地面对太空采矿机器人工作进行验证。结果显示,该机器人结合轮足与爪足设计,能够适应月球和小行星的复杂地形,集移动、锚固、钻探和采样功能于一体,可同时处理多种资源。另外,通过模拟微重力的悬挂机构,测试了该机器人运动特性的可行性。

“太空采矿成本主要与运载能力相关。”郑永春说,大幅度降低从地球到太空之间的运输成本,是“星际采矿”的前提,因此实现火箭重复利用非常关键。

前景如何?

相关研究处于初级阶段,科学家从资源勘查、钻孔技术等多方面开展探索

有关太空采矿的研究目前仍处于初级阶段。经过半个多世纪的深空探测,人类积累了较为丰富的资料及前期技术,其中部分技术经过改造、深化,未来可用于太空采矿,例如资源勘查、钻孔技术及原位资源利用等。

在太空采矿装备的研发方面,刘新华说,国际科学界推进的研发主要集中在自主机器人、原位资源利用、微重力环境作业、高效能源系统和材料技术等领域。例如,日本和美国成功验证了小行星采样技术;美国国家航空航天局专为月球采矿设计了机器人,配备旋转挖掘臂,可在低重力环境下高效采集月壤。

“短期内,试验性开采将以月球和小行星为目标,推动技术验证和商业化探索;中长期来看,太空采矿有望实现规模化,支持月球和火星基地建设,并催生太空经济。”刘新华说。

郑永春认为,太空采矿的主要目的是满足未来人类在太空中长期生活的需求,比如建立月球基地、火星城市等。“很大程度上,太空探索的进展程度取决于人类的决心。太空探索的投入似乎看不到产出,但会对科学发现和技术进步产生巨大的带动作用,从而产生巨大的经济和社会价值。”

太空采矿机器人的未来形态是什么样?

在刘新华的设想中,它是全自主的“太空工厂”,即具备自修复能力与跨天体适应性,可以远程操控,或通过脑机接口实现人机深度融合。要实现这些,有赖于人工智能、材料科学和能源技术等方面的突破,以及全球太空资源开发上的深度合作。

太空采矿机器人目前仍处于持续完善中。“团队将围绕模块化、智能化和资源高效利用等方面持续优化。”刘新华说。


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