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科學好故事 | 月球商業采礦新競賽


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作者:Joe Pappalardo

  來源:Popular Mechanics

  翻譯:小葉

早在1969 年,人類就已經通過美國「阿波羅計劃」首次成功登陸月球,並在接下來的 3 年裏,陸續將 12 位宇航員成功送上月球。這段密集的探月浪潮源於年至1976年的美蘇空間競賽,兩國先後發射了上百個月球探測器。然而「阿波羅計劃」結束後,探月競賽熱度漸冷,人類探索月球的腳步也逐漸放慢,在1976年至1994年間,全球只有日本進行過1次探月活動。2003年9月,歐空局第一個飛向月球的探測器SMART-1衛星發射升空,並於2006年9月3日成功撞擊月球表面。

新一輪探月熱情在上世紀90年代被迅速點燃。美國於1994年1月21日和1998年1月6日分別發射的「克萊門汀」號、「月球勘探者」號探測器,發現月球兩極存在大量水冰,隨後更多的國家加入了探月大軍。
2007年至2008年,人類探月的腳步加快,包括日本的第二個月球飛行器「月亮女神」、中國第一個月球飛行器嫦娥一號成功進入月球軌道,印度的月船1號也緊隨其後。

目前美國已經成功登月6次,並計劃在2024年再次載人登月。而我國雖起步較晚,但探月進程也在大步趕上。在2004年正式開展月球探測工程之後,包括嫦娥一號至四號探測器的「無人月球探測」階段進展順利, 「載人登月」階段的工作業已提上日程。日前俄通社還曾報道,俄羅斯航天局局長表示,俄羅斯很可能與中國一起,在月球上建立聯合研究基地。

然而雖然人類在50年前即已登陸月球,但時至今日,依舊還未真正搞清楚開發這一鄰居星球的最佳方案。今年5月初,美國特朗普政府允許本國商業公司在月球表面開采,似乎為月球表面商業開發打開了一扇大門。而這一舉動究竟是人類月球開發的新起點,還是打開潘多拉魔盒的第一步?

美國激進的商業開采計劃

許多月球商業化開發支持者都未曾想到能等到這一時刻的到來,美國政府對月球商業開發產生濃厚興趣,從這個角度來看,未來月球商業前景非常樂觀。

特朗普政府這一最新許可令也產生了諸多爭議,1967年冷戰時期,美簽署了《外層空間公約》,禁止任何國家對地外天體擁有主權,但該公約中並未禁止對地外天體商業化開發。

2015年,《外層空間公約》遭受了「打擊」,當時奧巴馬政府簽署了《美國商業太空發射競爭力法案》,使美國人擁有和出售從「地外星球商品」成為合法行為。

這項最新政府許可令清晰地表明,美國現任政府支持月球商業開發。但要實現月球商業開采,需要的不僅是一項許可令,自上世紀60年代首次提出月球開采構想以來,實現該目標的技術和經濟挑戰已被證明是非常艱巨的。

數十年以來,美國宇航局的月球探索計劃僅是原地轉圈,未來由實業家、工程師和科學家組成的國際團隊,將不畏艱險,能將月球作為人類工業前哨的太空基地,現在政府和商業公司實驗室已規劃設計了如何實現月球采礦,緊湊型發電、太空機器人和風化層開采等關鍵環節,均已取得實質性進展,該計劃不僅有效,而且具有可行性。

「新千年,舊戰役!」

維爾納·馮·布勞恩

月球采礦的故事實際開始於兩位火箭科學先驅之間的觀點分歧,其中一位科學先驅是維爾納·馮·布勞恩,這位德裔美國火箭科學家先驅曾負責美國宇航局土星5號火箭研發設計,對於布勞恩和他的支持者而言,行星是太陽系的「王冠寶石」,通過探索行星將獲得很多科學聲望。

另一位科學先驅是美國物理學家傑拉德·奧尼爾,在他1976年出版的《高邊界》一書中,他主張人類基礎設施應當遠離行星,脫離地球引力所產生的能量消耗的需求——這是太空飛行中最困難的環節。軌道殖民基地是奧尼爾的構想,但他主張利用月球資源,建造體型龐大的旋轉空間站。

藍色起源公司創始人傑夫·貝佐斯強烈支持這一想法,甚至在2019年5月「藍色月球登陸器」發射過程中還倡導實現奧尼爾的軌道基地。

美國佛羅裏達大學資深行星物理學家菲利普·梅澤爾稱,據我所知,我們從未做過科學研究或者調查,但我認為美國宇航局更傾向於布勞恩的觀點。據悉,他在美國宇航局工作了30年。

而同樣是太空探索巨頭的馬斯克盡管從未承認過這一點,但他的終極目標是在火星表面建立殖民基地,逐漸實現載人火星任務的夢想,而其他任何事情,尤其是探索月球,並未引起他足夠大的興趣。

目前美國宇航局希望能將第一批人類送上火星,他們對月球探索開發的興趣同樣並不大。

而中國則正在有條不紊的實踐探月計劃,載人登月、開發月球也在計劃之內。據《科技日報》報道,去年11月1日中國航天科技集團公司科技委主任包為民曾透露,中國將力爭在本世紀中葉建成地月空間經濟區。

嫦娥二號安裝發動機部件過程 圖片來源:中國航天科技集團公司

報道稱,地月空間經濟區的範圍主要集中在近地空間、月球引力空間和地月轉移空間,其業態包括基礎產業、應用產業、開發與利用產業、拓展產業,將由航班化地月空間運輸體系、空間資源探測與開發體系、空間基礎設施體系三大體系組成。有專家預測,到2050年前後,中國每年在地月空間經濟區的總產值可達10萬億美元以上規模。

歐盟和日本也在緊鑼密鼓地准備月球采礦行動。2019年1月21日,歐洲空間局宣布已就月球采礦技術與歐洲火箭制造商阿麗亞娜集團簽署了一份為期12個月的合同,並計劃於2025年開始相關探測任務。阿麗亞娜集團表示,該任務的目的是提取月球表層風化土。

日本月球探測初創伊空公司專家也曾公開表示,目前已經可以運送設備並在月球表面著陸,勘探技術設備包括漫遊車和著陸器,能夠攜帶設備勘探月球水和氧等資源。伊空公司計劃了兩項月球行動,首次行動是在2021年,將在月球赤道上放置漫遊車,第二次行動是2023年在月球南極開展。

隨著人類加大太陽系的探索力度,關於月球探索的觀點分歧將逐漸平息,月球采礦支持者最擔心的是上世紀70年代登月計劃重演,他們認為:如果我們通過外星球工業支持地球經濟發展,那麼我們就可以創造一個太空經濟環境,使未來火星任務的成本大幅降低,變得切實可行。同時,如果太空技術發展太快,跳過地月太空工業建設,那麼未來的火星任務也將基礎不牢,以另一個阿波羅時代的方式告終。

月球資源有啥?

即使月球采礦支持者希望未來人類采集月球資源,但迄今科學界仍未對如何開采月球資源達成一致意見。甚至最基本的問題——什麼物質應當被提取和銷售,也隨著時間的推移而改變。無可否認,月球上有許多具有吸引力的資源,其中包括:建築金屬、制作太陽能電池板的矽、以及用於聚變反應的氦-3。幾年前部分人曾提出開采月球常見、地球非常稀有的資源,之後將它們帶回地球高價銷售。

月球表面環形山 圖片來源:pixabay

隨著時間推移,月球資源利用問題發生了變化:如果通過月球資源直接獲利,而不是重點關注月球資源市場,將會怎樣?該開采模式下選擇的最佳月球資源是氧氣。按照質量進行計算,月球含氧量為42%,而太空飛行最大費用就是發射時的氧燃料。

該觀點是采集氧氣作為太空燃料,並用於生命維持系統,但仍需從地球運輸大量氫氣。美國宇航局正在探討該方案的可行性,事實上這些資源可在月球任何區域進行采集,方法是剝離含有氧的月球表層土,如果要采集月球上的氫,就意味著需要在月球隕坑中搜尋潛在的月球冰。

冰是後阿波羅時代最重要的太空資源,近些年科學家才發現月球潛在著大量冰物質,人們可將水分解成氫和氧,這是已知最有效的化學推進劑,也可用於制造火箭燃料。

這一切都歸結到如何采集太空冰,月球是地球最親密的鄰居,是地球的衛星,從1994年發射「克萊門汀號」環月軌道探測器至近年發射的月球勘測軌道飛行器,現已有多顆遙感宇宙飛船環月飛行,並且在深不見底的月球隕坑中發現大量永久冰。

探測發現,月球南北極存在水冰

十幾年前,月坑觀測和遙感探測器(LCROSS)撞擊在處於永久陰影區的月球隕坑,之後另一顆探測器對撞擊濺射物質進行取樣分析,發現濺射物質中5%是水,因此推測月球永久陰影區隕坑中存在冰,但研究人員仍有很多問題。月球與行星研究所科學家朱莉·斯托普(Julie Stopar)說:「現在我們正處於一個探索時代,從發現階段過渡至定性和驗證階段。」

美國宇航局資助了一批小型太空任務,與一些新太空公司建立合作關系,計劃發射一些探測器探索月球。商業月球有效載荷服務(CLPS)首個機器人任務將於明年發射,之後還會有更多的任務。著陸器將配備鏟子和分光儀采集月球化學成分,像「月球漫步者器」探測器將配備傳感器測量表層土成分,包括水含量。

其中最重要的太空任務是2022年發射的「蝰蛇號」探測器,它將調查分析月球極地揮發性物質,該探測器還配備了鑽頭等多個設備,這部汽車大小的探測器將繪制首張月球水資源地圖。

月球岩石 圖片來源:pixabay

蝰蛇號將提供關於月球水冰分布、豐富程度、形狀和表面環境條件的第一手資料,其勘測地點位於‘阿爾特米斯’號(美國宇航局載人航天任務)宇航員著陸地點或者類似位置,該勘測任務將清晰呈現月球南極狀況,證實月球南極是否是人類可以登陸和生活的區域。」

這些太空任務將支持未來月球商業開采的發展,一些信息有助於實現建造月球人類基地,而另一些信息對於采集月球礦資源非常重要。但是仍有一些懸而未決的問題,例如:小行星何時、如何碰撞月球,將水資源帶到月球,要搞清月球曆史問題,勘測月球隕坑內部將獲得重要線索。

我們正從發現階段進入至特性描述和驗證階段!

目前人類還沒有一個很好的月球資源模型,在月球上獲得的任何勘測數據都有助於增強人類對月球地質結構的認知了解。

雖然一些月球勘測數據很重要,但當前沒有商業月球有效載荷服務(CLPS)任務,探測可能存在較多水冰物質的隕坑。月球隕坑采礦提倡者希望獲得更多精確數據開展勘測,我們從未在月球永久陰影區域著陸,使用靈敏儀器取樣,並高度肯定月球水冰的存在,事實上,我們仍不知道月球冰層的具體狀態,以及它們是如何與風化層混合在一起。

哪裏有挑戰,哪裏就有航空工程師研究相關的解決方案,洛克希德·馬汀公司正在贊助一支研究團隊,用於研制一種叫做「維裏塔斯(Veritas)」的探測器,該公司將發射「麥肯德利斯號」月球登陸器致力實現商業月球有效載荷服務,從而證明月球表面存在水冰。

「維裏塔斯」探測器將攜帶足夠使用一整天的電池進入永久陰影隕坑,在隕坑底部著陸後該探測器將在200米半徑範圍的周邊方向發射6個小型、裝滿傳感器的「松鼠」包裹,使用探地雷達和傳感器系統的勘測數據,該探測器可在不需要額外重量、成本和其他限制的情況下進行廣域勘測。

一旦發現月球存在水冰的秘密,接下來就是考慮如何將水冰加工為火箭燃料,隨著時間推移,該發現將演變為商業太空競爭和國家太空規劃。

月球探索炙手可熱

月球采礦並不完全像地球陸地采礦,部分月球采礦支持者現已設計一種新方法從冰冷月球表層土中解凍冰層,該方法是「熱采礦法」。

熱采礦法是將足夠高溫度的熱量直接施加至月球表面,將冰轉化為水蒸汽,本質上是通過升華過程越過液相(liquid phase),之後蒸汽會被收集在一個較大的遮篷中,重新冷凍然後運送到一個電解站,在那裏冰會被分解成氫和氧。

最新研究表明該方法可以從月球物質中成功提取燃料成分,報告稱,創新概念研究中,直接加熱會使冰升華,證明熱采礦法是切實可行的。

同時,該研究報告還評估了在月球建造一處燃料基地的最終規模,推進劑生產設備重量為26多噸,每年可生產1100噸推進劑燃料,可開發部署在月球表面,成本大約 25億美元。初步商業案例分析顯示,如果推進劑生產運行時間至少為10年,那麼依據商業和政府對推進劑的需求(包括幫助地球同步衛星到達最終軌道的最高階段),可實現產能正回報。

直接加熱使冰升華的效果已在含冰風化層樣本中得到證實

研究人員警告稱,該操作過程必須對樣本加熱至很高的溫度,從而確保在有效工業水平將冰轉化為蒸汽。初步估算顯示,工業規模熱采礦處理需要2.8兆瓦電力,問題的關鍵在於如何在月球隕坑中制造如此多的電能。

一種方案是在隕坑深處建造一個小型核反應堆,目前美國宇航局致力於該技術的研發,並取得了一些技術突破。2018年,美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室、內華達國家安全站和美國宇航局合作,使用斯特靈技術千瓦反應堆(KRUSTY)實現28小時全功率電能供應。

美國宇航局喜歡這種裂變反應堆,因為它可以連接至斯特林發動機,這是一個封閉循環、能量可再生設備,並且使用壽命長,維護費用低,是一種能有效為外太空熱采礦作業提供動力的能源制造方案。

然而,斯特靈技術千瓦反應堆使用的是Y-12高濃縮鈾(HEU)作為燃料來源,HEU反應堆更輕,像這樣的緊湊型動力源在太空環境中具有一定優勢,但是該設施很容易轉換為改良型核設備,其使用過程必須充分考慮後勤保障和嚴格的安全監督。

由於這些原因,過去幾年時間裏科學家研制一批小型、商用低濃縮鈾(LEU)反應堆,它們被稱為微型模塊反應堆,簡稱MMR。目前,研制商用低濃縮鈾的公司正在積極滿足月球采礦的需求,部分公司已將他們的最新技術應用於太空領域。

超安全核能公司(UltraSafe Nuclear Corp)就是其中一家公司,該公司銷售LEU裂變反應堆,並制造一種「Pylon」反應堆。公司研究人員指出,在永久陰影隕坑中勘探月球資源,並利用熱能處理當地資源非常適合核能開發利用,然而盡管反應堆提供電能的前景非常好,具有很廣闊的開發潛力,但出於技術發展和政策限制,核能開發經常被排除在考慮範圍之內。目前,相關研究機構表示,太空核能研發技術和政策的瓶頸限制可以突破。

如果未來美國宇航局計劃在月球隕坑深處進行開采,超安全核能公司非常明確地表示,該公司的產品符合該項太空任務的要求規格,「Pylon」反應堆就可以,未來可通過一個大型商業月球有效載荷服務著陸器將該反應堆運送到月球表面。

核能開發

在過去半個世紀裏,人們一直在考慮如果開發月球資源,核能熱采礦並不是唯一的選擇,歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統,它被稱為「首個直接將固體月球表層土模擬物加工成粉末」的例子,該模擬物幾乎可以提取所有氧氣,將月球風化層與融化的氯化鈣鹽放在一個金屬籃子中作為電解液,之後再加熱。

  6,歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統,它被稱為「首個直接將固體月球表層土模擬物加工成粉末」的例子,該模擬物幾乎可以提取所有氧氣,將月球風化層與融化的氯化鈣鹽放在一個金屬籃子中作為電解液,之後再加熱。

該系統僅需將風化層物質加熱至950攝氏度,而不是融化表層土。依據歐洲航天局的觀點,電流可使氧氣離開表層,穿過鹽層,在陽極區域收集起來,作為一個額外的好處,該處理過程可以從月球風化層提取可用的金屬合金。

英國格拉斯哥大學貝斯·洛馬克斯(Beth Lomax)稱,能夠從月球資源中提取氧氣,將對未來人類定居月球非常有用,無論是供給人類呼吸,還是作為本土火箭燃料制造。據悉,洛馬克斯的技術研發獲得歐洲航天局的大力支持。

另一個觀點是由索爾斯提出的,他借鑒了古代鏡面反射原理,希臘數學家阿基米德利用鏡面反射陽光點燃入侵者的木船。依據相同原理,他計劃在月球隕坑邊緣設置定日鏡(可移動的鏡面),可以將陽光直接照射在冰冷的風化層。索爾斯認為,在隕坑邊緣每隔120度分別放置3個定日鏡,可以確保穩定的陽光照射到隕坑底部的礦井,同時2個定日鏡可將陽光照射在蒸汽捕獲遮篷和燃料加工站。

第三個觀點完全不同於熱采礦法,梅澤爾基於美國宇航局創新先進概念基金資助下研究淺層隕坑中含有細粒冰的跡象,他說:「如果是這樣的話,那麼我認為最簡單的提取方法就是進行顆粒分類。」

淺層隕坑產冰量較小,可能僅有2%,相比之下,深層隕坑產冰量較高,大約5%,但是深層隕坑采集作業帶來諸多挑戰,尤其是高等級供電需求,對淺層隕坑進行更簡單的「挖掘-篩選」系統可使月球首個采冰礦井開始運轉。

在科幻電影中月球采礦似乎是不可能完成的任務,但目前基於成熟的技術和方案,科學家們已構想了如何從月球上采集寶貴資源。在國家政府和航天機構的支持下,一些國家的月球礦工們已躍躍欲試了。如果各國政府加大投資,人類就有希望啟動月球采礦業,越早開始,就能越早地提高人類探索太空的能力,加快人類對太空的認知。


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