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        这是一篇对外星资源开采的现状与未来的粗略探讨的文章。我们先不聚焦于过于遥远的将来，而是把目光放在30年的未来。既然问到了是否需要开采外星资源，我们总是需要找到一个能让人信服的理由。
        在最近一段时间我们能听到许多关于外星资源开采的设想，如开采金属小行星、开采月球氦-3和开采月球水冰。总的来说，开采外星资源的用途分为两种：一种是开采资源带回地球为地球发展而服务，另一种则是开采资源并当场利用，如制造推进剂、维生物资。下文将围绕这两种用途展开。

1.为地球发展开采外星资源    

        开采的外星资源分为两种：一种是能源类物质，如氦-3：另一种是材料类物质：如钛、铬、稀土元素等。

       首先是能源类物质，如果开采这种能源物质所需的能源就大于利用其本身，或是有一种另能源物质能完全替代从外星开采的能源物质，那么开采这种能源类物质是没有意义的。目前基本上只有氦-3这一种外星能源能够被我们加以利用，其作为聚变燃料具有放射性小、易于控制的特点。氦-3在地球上的储量十分少，最多只有500kg，但在月球中储量极为丰富：目前认为月壤的氦-3存量预计达100 万吨。这听起来十分诱人，但我们进行简单的计算就会发现，每平方千米的氦-3存量只有可怜的26g，并且还埋在月球表层10~50m深的月壤内。与其相信在人类20年内能把机器送上月球，在地表上挖出一个几平方千米的深30米的坑来开采氦-3，还不如相信ASPT永远不会断更。而少了氦-3完全不会让人类的核聚变事业停止发展，用氘和氚进行核聚变仍然有非常好的前景。

        其次是材料类物质，一般可以按照开采目标分为开采小行星资源和开采行星/卫星资源两种。首先对小行星上的物质进行开采就很不实际。如何开采？用机器人？如此低的重力如何固定开采设备？如果开采的物质埋在内部又如何开采？我们不能对一个小行星上的全部想要的材料进行开采。况且一般的小行星只会含有铁、硅、镍、钛等资源，实在是没有开采价值。但有些小行星会含有贵重金属，就以我们这里可以用开采富含铂族金属的小行星做例子。

       在文章《How Many Ore-Bearing Asteroids?》中，通过对地球上铁陨石中铱含量的统计，推测出了小行星中铂族金属的含量。如下表所示：

        我们就以开采一个铂族金属含量为30ppm的小行星为例，也就是该小行星中每一吨中就含有30g铂族金属。假设该小行星的质量为一亿吨，则共有3000t铂族金属。按照每盎司900美元计算，则将这些金属全部开采带回地球能赚取接近一千亿美元。假设我们要开采的小行星位于小行星带中，则去程速度增量为8500m/s，再次入轨地球所需速度增量为5500m/s，按照发动机比冲为460s计算，我们需要携带约67000t燃料。若是按照近地轨道每千克2000美元计算，仅仅是把这67000t燃料运至近地轨道就需要1.34千亿美元，何况我们还没有加入开采设备、推进系统、巨大的燃料罐的质量，也没有考虑燃料的蒸发。再有，我们也完全不能做到把一个小行星上的所有矿产都开采完。因此这样的小行星开采完全是得不偿失的。

        总的来说，人类目前来说还没有能找到值得开采并带回地球的外星资源，即使真正发现了，也缺少开发其的技术。

2.为太空探索开采外星资源   

        这一段其实才是本文的重头戏。既然不能把采集到的资源运送回地球，倒不如当场使用这些资源，为太空探索而服务。

        我们当前的目标可以聚焦于月球采矿而不是小行星或火星采矿，月球上有丰富多样的矿产资源，如硅酸盐、钛铁矿、水冰；它离地球很近，能够允许我们运输重型的采矿设备到其表面；月球也是我们未来太空探索的重点，我们希望能对月球资源进行一定程度上的利用。而小行星采矿目前来说还是过于遥远，而且没有特别多值得开采的资源。

        那我们可以拿什么资源来服务于月球探测呢？我们希望能有火箭推进剂，有氧气和水给航天员供应，甚至用月壤进行建筑，在月球表面生产太阳能电池。其实有个名词就描述了这一行为，叫做原位资源利用（ISRU）。这听起来很美好，但我们也要有充分的理由来让我们去做这件事。

        在月面进行建筑、生产产品有些遥远。我们就以一个载人月球探测任务为例，开采资源为我们提供推进剂和维生资源。 我们先来看看，月球上有什么东西可供我们开采。

       2.1 硅酸盐

        硅酸盐在月壤中的含量是很丰富的，硅元素的月面平均质量丰度为16.4%，而其氧化物的月面平均丰度为45.5％。但是提取其中的氧元素需要我们自带还原性物质，且反应炉的温度非常高，其反应系统十分复杂。而且我们没有大规模挖取外星土壤的经验，产生的液氧也只能作为氧化剂，我们只能自带燃料。研发如此昂贵的系统产出的效益却很小。

        以下是《面向载人月球及火星探测任务的原位资源利用技术》中概括的提炼方案：

        1）首先将系统运输至月表

        2）挖掘机和搬运机采集月壤，将其运送至氧气制备装置

        3）挖掘机和搬运机运输废渣至废弃场

        4）太阳能集热器加热还原室内的月壤，通入甲烷

        5）一氧化碳作为生成物流过过滤器，将其中的硫化物过滤掉

        6）一氧化碳与氢气在还原室生成水和甲烷

        7）反应生成的水冷凝过滤后送入质子交换膜电解池

        8）甲烷再次送入还原室与月壤反应，循环利用

        9）生成的氢气分离出水再进入反应室循环利用

        10）生产的氧气经过干燥后液化储存

        2.2 FeO     

        FeO主要储存在月海中。月海中FeO的平均含量为14%，一些地区中的FeO含量约为25%以上。其提取条件比上者好，提取复杂度也没有上者高。一般是使用氢气还原FeO，生成水后再进行电解。还原温度约为1100℃。其缺点就是也是只能生产氧化剂，开采还是要大量挖取月壤，温度条件较为苛刻。根据NASA的“棒球卡（baseballcard）”报告，在月球开采FeO，年产量10t氧气的情况下，系统总质量为563kg，功率为13kW，月壤供给速率为83kg/h。

        2.3 水冰

        月球上的水冰来自于小行星的撞击。在月球的南北极地区，由于高山、撞击坑的阻挡，很多地方一年中极少有太阳照射甚至完全没有太阳照射，这种环境便可以长期储存水冰。目前较为可靠的说法是含水月壤的水含量为5wt%，且表层月壤是干性不含水的。

        相比来说，南极的水冰含量要高于北极。在最近两年我们能听到许多关于月球南极的探测计划，如中国的“嫦娥”六、七、八号，俄罗斯的Luna-27和美国的Artmis计划。是什么样的吸引力让世界各国都聚焦于月球南极呢？

        首先，月球南极不仅在地势较低的地方有长时间阴影区，在高地也有超长日照时间的地区，能够满足月球基地建设的能源需求。再者，月球南极处于巨大的艾特肯盆地中，艾特肯盆地（Aitken Basin）是月球上最古老、最大和最深的撞击盆地。因为艾特肯盆地的撞击较深，撞击范围较大，可能会将月球深层的成分挖掘出来，甚至更下层的月幔也会暴露出来，有十分重大的研究价值。但最重要的，还是有永久阴影区内的水冰，我们来看看开采水冰的好处：

        首先，开采到的水冰可以直接通过升温升华分离，通过电解装置就能制取高性能的液氢液氧燃料，既有燃料，又有氧化剂。再者，水冰开采实际上不需要将月壤整块挖出，只需将钻头探入月面，加热钻头即可提取水蒸气。而且，开采到的氧气和水还可以作为宇航员生存的维生物资，这是十分重要的，可以大大简化维生物资循环系统，为宇航员的安全提供更大的保障。

        但开采水冰也不是没有缺点。首先，水冰处于月球永久阴影区内，如何为开采机器提供能源呢，而且极低的温度将为开采机器的温控系统带来极大的挑战？再有，月球基地不能建设在阴影区内，如此远的距离和如此高的高度差，怎么运输水资源呢？

        首先是能源问题，如果给采冰车搭载一个核反应堆，这是超出我们技术水平且十分昂贵的，我们来看看欧空局的研究：

        2020年5月，欧洲空间局（ESA）报道了其激光动力月球车项目 PHILIP 的进展情况。项目目标是设计一套激光系统，在15km以上的距离为月球南极陨石坑永久阴影区内探测的月球车提供能源。

        无线能量传输是个好点子，我们来看看这套系统应该满足些什么条件。

        首先我们应该要有采冰机器位于永久阴影区内，然后又要有能量传输着陆器在一个能接收长时光照的地方着陆，同时对采冰机器可见，才能传输能量。

        我们再来看看采集水冰的能源需求。在NASA的棒球卡报告中，采用了一种效率低下的水冰开采方式。采冰车需要开采月壤，然后又运送到水萃取车间，然后又离开水萃取车间去采冰地点。该方案中也没有说明如何把在水萃取车间中的水资源运送基地。评估结果显示，每年生产10吨氧气的情况下，挖掘月壤的能源为66kW！这是完全不能接受的，而如此大的能源需求来自于挖取极低温下的坚硬月壤和来回运输的消耗。

        我们当然不能接受这种方式，我们有更好的方法！就如上文所说，直接加热插入土壤中的钻头，就能提取升华的水了。

        《含冰星壤钻取密封与水资源提取转化技术研究》一文中进行了对此开采方案的实验。

钻取阶段：

        “在193K冷冻条件及模拟月壤含水率2%～6%之间时，钻取过程的功耗均不超过100W，总体处于50W以下。”

        “在钻取深度30cm时，钻具内所能输运的土壤重量约为900g，总体输运速率在1.8～2.0 kg/h。”

该研究中加热水的方式为光热加热：

        “太阳模拟器在输入电功率3.5kW条件下，其输出的光通量400W。射入钻具内部后，经高反段反射进入高吸段的总光通量325W”

        “当冰冻月壤的初始含水率为6%时，实验中发现，光热输入后在蒸汽管路内很快有蒸汽出现（<5min），冷凝器内的液滴凝结快速且连续，约30min后液态水收集速率显著上升。在70 min有效实验时间内，共获得31g液态水，平均取水速率为26.6g/h。然而，当样品含水率降为4%时，取水速率明显下降。一方面预热时间延长（>10 min），同时液滴凝结呈现为间歇滴落状态，在110min后共获得12g液态水，平均取水速率为仅6.5g/h。而当初始含水率为2%时，预热时间显著较长。由于实验前期水汽密度很低，液滴冷凝变得低效，只有当管路内的水蒸汽 达到一定密度后，才出现液滴连续冷凝，该工况下获得的平均取水速率为6.2g/h。”

        该实验对于月球水冰开采的实现有十分大的参考作用，但问题在于，实验中的模拟温度为193K，而实际上月球永久阴影区内的温度为25~70K。如此大的温度差距对于月壤的硬度影响是十分大的，实际的开采功率一定比该实验高许多。而且我们需要高的多的开采效率，每年开采的水冰至少要30t以上。

        美国的Honeybee公司也在外星土壤采集中做了深入研究，我们来看看他们研发的钻头。

        2.2W*h/g的Corer钻头看起来十分有吸引力，但我们也不知道他们进行开采土壤的实验温度。这些数据难以被我们参考。

        但假设我们开采的速率为5kg/h，则按照以上数据，所需功率为11kW。我们再大胆的假设开采效率为5kg/h时，所需功率为20kW。再假设先进的无线能量传输设备能让传输效率达到30%，则能量传输着陆器的发电功率要去到37kW。利用不断发展的太阳能电池技术，达到37kW的发电效率也不是太过困难。

        那怎么运输水资源呢，我们可以把采冰车设计为采冰段和水箱段，水箱段可以自主脱离，通过火箭动力进行长距离运输，一个比较好的方式是刚性连接的天空起重机。这样并不会浪费太多的燃料，而大大节省了运输时间。

        由于太阳光照的时间现在，采冰车将有250天的连续工作时间和115天的休眠时间。在工作时间内一共能开采到30t水，共有3.4t氢气和26.6t氧气。按照发动机工作时氢气/氧气质量比1:6.5计算，设有3.2t氢气能够作为火箭推进剂，则有20.8t氧气也能作为火箭推进剂，剩余的氧气则作为维生资源使用。

        总共的24t燃料可以加注给一个强大的推进器。推进器平时停放在月面，它满载燃料为12t，可以从月面起飞，让三人的宇航员乘组从极月大椭圆轨道降落到月面，而且具有极其重要的ATO能力。相反的，另外12t燃料也可以让推进器把三人乘组送回极月大椭圆轨道，然后推进器再自己返回月面。返回时也可以携带一定量的货物。这样，相比传统方式，宇航员一次往返将减少15t的发射质量。

        减少15t的发射质量真的值得吗？我们想想为了开采水冰要做什么事。我们要发射一个轨道器，通过雷达、光谱探测和中子谱仪来了解水冰的详细储存位置与丰度；要发射一个巡视器研究永久阴影区内的土壤性质；还要实施一个采样返回任务进一步研究水冰开采技术；还有一个能量传输着陆器和一个采冰车；一个水处理车间。为了运送这些物资，我们就需要新增加40t的发射质量。何况这些设备都需要研发和制造，根据《面向载人月球及火星探测任务的原位资源利用技术》一书的粗略估计，以2012年的经济水平，月球ISRU组件的研发费用为8亿美元。这套设施运行五年，节省的发射质量为35t，就算按照每千克发射质量为10000美元，节省的发射费用也只有3.5亿美元，可以说是入不敷出。

        先别急，我们为什么不再进一步增加水的开采量呢？我们可以采集多12t燃料，这些燃料可以加注给天空起重机，它可以从月面起飞把10t重的基地舱段从近月轨道运至地面，也可以带着漫游车四处飞行，仅需12t燃料就可以完成阿波罗任务所有的月面任务。这些燃料还可以用于加注深空探测器，让探测器飞的更快更远。进行这三种任务所节省的发射质量分别为13t、50t、6t。每年都使用天空起重机开展载人月面探测任务的话每年都能省下6.5亿美元。这是颇有成效的。

        而且别忘了，开采水冰也是一种科学任务，是对月球资源开采的重要研究。没有ISRU的使用，也会有采样任务采样永久阴影区内的水冰，也会有月球轨道器探测月表。在这样的水冰开采效率下，建设一套ISRU系统大约会增加约55t的发射质量。

        假如在五年进行了三次月面活动和一次深空探测器燃料补加和两次基地舱段运输。则增加的质量约有55t，减少的质量约为26t+4*15t+3*50t+6t=242t，则净发射质量降低约为187t。按照近地轨道每公斤10000美元计算，则基地建设五年后就省下了18.7亿美元。

        另外，由于火星更加遥远，而且火星有大气。根据《面向载人月球及火星探测任务的原位资源利用技术》一书的研究，载人登火探测任务利用ISRU技术是十分必要的。戚发轫院士评论道：“人类迟早会离开地球这个摇篮移居到其他天体，而月球是最佳的技术试验场，就像本书中指出火星ISRU具有显著价值，那更需要极早在月球上开展演练，才能确保载人火星探测任务的成功。”在火星我们可以通过开采地表的水冰和提取大气中的二氧化碳来生产甲烷和液氧，这样的方案是更为简单且有意义的。

        虽然这样规模的水冰开采对我们的技术要求还是特别高的，但是这种方案起码给出了一种可能。在某些情况下，进行外星资源开采的的确确能够帮助我们更方便地探测这个宇宙。外星资源开采并不是完全的空想和骗局。但最最重要的是，利用这些技术的前提是我们要去建设月球载人基地，要大规模开展载人月球探测任务。深空探测的意义已经被不少人质疑：“为什么我们不拿探测的钱来养活贫困的人呢？”而载人深空探测更受人质疑：“为什么我们要冒如此大的风险，花如此多的钱进行月球载人探测，载人探测并不比机器探测好。”

        抛开政治因素，我想一个关键的答案是因为我们是人。载人航天的关注度比非载人航天的关注度高，是因为我们是人。天问一号着陆火星时，同学问我的第一句是：“这上面有人吗？”嫦娥四号着陆器总体主任设计师李飞在书中写道，在人们听到我是嫦娥四号的设计师时，他们问我：“你上去过吗？”正因为我们是人，我们理所当然地成为探索宇宙的主体。

        虽然这次专栏写的是外星资源开采技术，但介绍的内容实在有限。感兴趣的读者可以观看一下唐纳德·拉普写的《面向载人月球及火星探测任务的原位资源利用技术》，也许会对你有所启发。