北京時(shí)間 6 月 10 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，人類(lèi)在 50 年前登陸月球，但從那時(shí)起，沒(méi)人能真正搞清楚如何最佳開(kāi)發(fā)我們的鄰居星球，5 月初，美國(guó)政府允許美國(guó)商業(yè)公司在月球表面開(kāi)采，最新許可令產(chǎn)生諸多爭(zhēng)議，1967 年冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)簽署了《外層空間公約》，禁止任何國(guó)家對(duì)地外天體擁有主權(quán)，但該公約中并未禁止對(duì)地外天體商業(yè)化開(kāi)發(fā)。

2015 年，《外層空間公約》遭受了 “打擊”，當(dāng)時(shí)美國(guó)奧巴馬政府簽署了《美國(guó)商業(yè)太空發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)力法案》，使美國(guó)人擁有和出售從 “地外星球商品”成為合法行為。

這項(xiàng)最新政府許可令清晰地表明，美國(guó)現(xiàn)任政府支持月球商業(yè)開(kāi)發(fā)。但要實(shí)現(xiàn)月球商業(yè)開(kāi)采，需要的不僅是一項(xiàng)許可令，自上世紀(jì) 60 年代首次提出月球開(kāi)采構(gòu)想以來(lái)，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)已被證明是非常艱巨的。

美國(guó)宇航局：月球探索止步不前，應(yīng)該采取商業(yè)開(kāi)采模式!

數(shù)十年以來(lái)，美國(guó)宇航局的月球探索計(jì)劃僅是原地轉(zhuǎn)圈，未來(lái)由實(shí)業(yè)家、工程師和科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，將可能使將月球作為人類(lèi)工業(yè)前哨的太空基地，現(xiàn)在政府和商業(yè)公司實(shí)驗(yàn)室已規(guī)劃設(shè)計(jì)了如何實(shí)現(xiàn)月球采礦，緊湊型發(fā)電、太空機(jī)器人和風(fēng)化層開(kāi)采等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并稱(chēng)已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展

月球采礦的故事實(shí)際開(kāi)始于兩位火箭科學(xué)先驅(qū)之間的觀點(diǎn)分歧，其中一位科學(xué)先驅(qū)是維爾納 · 馮 · 布勞恩(Wernher von Braun)，這位德裔美國(guó)火箭科學(xué)家先驅(qū)曾負(fù)責(zé)美國(guó)宇航局土星 5 號(hào)火箭研發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)于布勞恩和他的支持者而言，行星是太陽(yáng)系的 “王冠寶石”，通過(guò)探索行星將獲得很多科學(xué)聲望。

另一位科學(xué)先驅(qū)是美國(guó)物理學(xué)家杰拉德 · 奧尼爾(Gerard K。O‘Neill)，在他 1976 年出版的《高邊界(The High Frontier)》一書(shū)中，他主張人類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離行星，脫離地球引力所產(chǎn)生的能量消耗的需求——這是太空飛行中最困難的環(huán)節(jié)。軌道殖民基地是奧尼爾的構(gòu)想，但他主張利用月球資源，建造體型龐大的旋轉(zhuǎn)空間站。

炙手可熱的月球商業(yè)采礦計(jì)劃真的靠譜嗎?

2、月球采礦的故事實(shí)際開(kāi)始于兩位火箭科學(xué)先驅(qū)之間的觀點(diǎn)分歧，其中一位科學(xué)先驅(qū)是維爾納__馮__布勞恩(Wernher von Braun)，這位德裔美國(guó)火箭科學(xué)家先驅(qū)曾負(fù)責(zé)美國(guó)宇航局土星 5 號(hào)火箭研發(fā)設(shè)計(jì)。

藍(lán)色起源公司創(chuàng)始人杰夫 · 貝佐斯(Jeff Bezos)強(qiáng)烈支持這一想法，甚至在 2019 年 5 月 “藍(lán)色月球登陸器”發(fā)射過(guò)程中還倡導(dǎo)實(shí)現(xiàn)奧尼爾的軌道基地。而 SpaceX 馬斯克的終極目標(biāo)是在火星表面建立殖民基地，逐漸實(shí)現(xiàn)載人火星任務(wù)的夢(mèng)想，而其他任何事情，尤其是探索月球，并非引起他足夠大的興趣。

目前美國(guó)宇航局有探索火星的愿景，并希望將第一批人類(lèi)送上火星，對(duì)月球探索開(kāi)發(fā)的興趣并不大。隨著美國(guó)宇航局加大太陽(yáng)系的探索力度，關(guān)于月球探索的觀點(diǎn)分歧將逐漸平息，月球采礦支持者最擔(dān)心的是上世紀(jì) 70 年代登月計(jì)劃重演，他們認(rèn)為：如果我們通過(guò)外星球工業(yè)支持地球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，那么我們就可以創(chuàng)造一個(gè)太空經(jīng)濟(jì)環(huán)境，使未來(lái)火星任務(wù)的成本大幅降低，變得切實(shí)可行。同時(shí)，如果太空技術(shù)發(fā)展太快，跳過(guò)地月太空工業(yè)建設(shè)，那么未來(lái)的火星任務(wù)也將基礎(chǔ)不牢，以另一個(gè)阿波羅時(shí)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(lái)人類(lèi)采集月球資源，但迄今科學(xué)界仍未對(duì)如何開(kāi)采月球資源達(dá)成一致意見(jiàn)。甚至最基本的問(wèn)題——什么物質(zhì)應(yīng)當(dāng)被提取和銷(xiāo)售，也隨著時(shí)間的推移而改變。無(wú)可否認(rèn)，月球上有許多具有吸引力的資源，其中包括：建筑金屬、制作太陽(yáng)能電池板的硅、以及用于聚變反應(yīng)的氦 - 3。幾年前部分人曾提出開(kāi)采月球常見(jiàn)、地球非常稀有的資源，之后將它們帶回地球高價(jià)銷(xiāo)售。

隨著時(shí)間推移，月球資源利用問(wèn)題發(fā)生了變化：如果通過(guò)月球資源直接獲利，而不是重點(diǎn)關(guān)注月球資源市場(chǎng)，將會(huì)怎樣?該開(kāi)采模式下選擇的最佳月球資源是氧氣。按照質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，月球含氧量為 42%，而太空飛行最大費(fèi)用就是發(fā)射時(shí)的氧燃料。

該觀點(diǎn)是采集氧氣作為太空燃料，并用于生命維持系統(tǒng)，但仍需從地球運(yùn)輸大量氫氣。美國(guó)宇航局正在探討該方案的可行性，事實(shí)上這些資源可在月球任何區(qū)域進(jìn)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。

冰是后阿波羅時(shí)代最重要的太空資源，近些年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)月球潛在著大量冰物質(zhì)，人們可將水分解成氫和氧，這是已知最有效的化學(xué)推進(jìn)劑，也可用于制造火箭燃料。

炙手可熱的月球商業(yè)采礦計(jì)劃真的靠譜嗎?

一種方案是在隕坑深處建造一個(gè)小型核反應(yīng)堆，并取得了一些技術(shù)突破。

這一切都?xì)w結(jié)到如何采集太空冰，月球是地球最親密的鄰居，是地球的衛(wèi)星，從 1994 年發(fā)射 “克萊門(mén)汀號(hào)”環(huán)月軌道探測(cè)器至近年發(fā)射的月球勘測(cè)軌道飛行器，現(xiàn)已有多顆遙感宇宙飛船環(huán)月飛行，并且在深不見(jiàn)底的月球隕坑中發(fā)現(xiàn)大量永久冰。

十幾年前，月坑觀測(cè)和遙感探測(cè)器(LCROSS)撞擊在處于永久陰影區(qū)的月球隕坑，之后另一顆探測(cè)器對(duì)撞擊濺射物質(zhì)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)濺射物質(zhì)中 5% 是水，因此推測(cè)月球永久陰影區(qū)隕坑中存在冰，但研究人員仍有很多問(wèn)題。

美國(guó)宇航局資助了一批小型太空任務(wù)，與一些新太空公司建立合作關(guān)系，計(jì)劃發(fā)射一些探測(cè)器探索月球。商業(yè)月球有效載荷服務(wù)(CLPS)首個(gè)機(jī)器人任務(wù)將于明年發(fā)射，之后還會(huì)有更多的任務(wù)。著陸器將配備鏟子和分光儀采集月球化學(xué)成分，像 “月球漫步者器”探測(cè)器將配備傳感器測(cè)量表層土成分，包括水含量。

其中最重要的太空任務(wù)是 2022 年發(fā)射的 “蝰蛇號(hào)”探測(cè)器，它將調(diào)查分析月球極地?fù)]發(fā)性物質(zhì)，該探測(cè)器還配備了鉆頭等多個(gè)設(shè)備，這部汽車(chē)大小的探測(cè)器將繪制首張?jiān)虑蛩Y源地圖。

蝰蛇號(hào)將提供關(guān)于月球水冰分布、豐富程度、形狀和表面環(huán)境條件的第一手資料，其勘測(cè)地點(diǎn)位于‘阿爾特米斯’號(hào)(美國(guó)宇航局載人航天任務(wù))宇航員著陸地點(diǎn)或者類(lèi)似位置，該勘測(cè)任務(wù)將清晰呈現(xiàn)月球南極狀況，證實(shí)月球南極是否是人類(lèi)可以登陸和生活的區(qū)域。

這些太空任務(wù)獲得的信息有助于實(shí)現(xiàn)建造月球人類(lèi)基地，而另一些信息對(duì)于采集月球礦資源非常重要。但是仍有一些懸而未決的問(wèn)題，例如：小行星何時(shí)、如何碰撞月球，將水資源帶到月球，要搞清月球歷史問(wèn)題，勘測(cè)月球隕坑內(nèi)部將獲得重要線(xiàn)索。

從發(fā)現(xiàn)階段進(jìn)入至特性描述和驗(yàn)證階段

雖然一些月球勘測(cè)數(shù)據(jù)很重要，但當(dāng)前沒(méi)有商業(yè)月球有效載荷服務(wù)(CLPS)任務(wù)，探測(cè)可能存在較多水冰物質(zhì)的隕坑。月球隕坑采礦提倡者希望獲得更多精確數(shù)據(jù)開(kāi)展勘測(cè)，實(shí)際上人類(lèi)從未在月使用靈敏儀器取樣，并高度肯定月球水冰的存在，仍然不知道月球冰層的具體狀態(tài)，以及它們是如何與風(fēng)化層混合在一起。

炙手可熱的月球商業(yè)采礦計(jì)劃真的靠譜嗎?

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(zhuǎn)化為水蒸汽

哪里有挑戰(zhàn)，哪里就有航空工程師研究相關(guān)的解決方案，洛克希德 · 馬汀公司正在贊助一支研究團(tuán)隊(duì)，用于研制一種叫做 “維里塔斯(Veritas)”的探測(cè)器，該公司將發(fā)射 “麥肯德利斯號(hào)”月球登陸器致力實(shí)現(xiàn)商業(yè)月球有效載荷服務(wù)，從而證明月球表面存在水冰。

“維里塔斯”探測(cè)器將攜帶足夠使用一整天的電池進(jìn)入永久陰影隕坑，在隕坑底部著陸后該探測(cè)器將在 200 米半徑范圍的周邊方向發(fā)射 6 個(gè)小型、裝滿(mǎn)傳感器的 “松鼠”包裹，使用探地雷達(dá)和傳感器系統(tǒng)的勘測(cè)數(shù)據(jù)，該探測(cè)器可在不需要額外重量、成本和其他限制的情況下進(jìn)行廣域勘測(cè)。

一旦發(fā)現(xiàn)月球存在水冰的秘密，接下來(lái)就是考慮如何將水冰加工為火箭燃料，隨著時(shí)間推移，該發(fā)現(xiàn)將演變?yōu)樯虡I(yè)太空競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)家太空規(guī)劃。

月球探索炙手可熱

月球采礦并不完全像地球陸地采礦，部分月球采礦支持者現(xiàn)已設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為水蒸汽，本質(zhì)上是通過(guò)升華過(guò)程越過(guò)液相(liquid phase)，之后蒸汽會(huì)被收集在一個(gè)較大的遮篷中，重新冷凍然后運(yùn)送到一個(gè)電解站，在那里冰會(huì)被分解成氫和氧。

最新研究表明該方法可以從月球物質(zhì)中成功提取燃料成分，同時(shí)，該研究報(bào)告還評(píng)估了在月球建造一處燃料基地的最終規(guī)模，推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備重量為 26 多噸，每年可生產(chǎn) 1100 噸推進(jìn)劑燃料，可開(kāi)發(fā)部署在月球表面，成本大約 25 億美元。初步商業(yè)案例分析顯示，如果推進(jìn)劑生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間至少為 10 年，那么依據(jù)商業(yè)和政府對(duì)推進(jìn)劑的需求(包括幫助地球同步衛(wèi)星到達(dá)最終軌道的最高階段)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能正回報(bào)。

直接加熱使冰升華的效果已在含冰風(fēng)化層樣本中得到證實(shí)

研究人員警告稱(chēng)，該操作過(guò)程必須對(duì)樣本加熱至很高的溫度，從而確保在有效工業(yè)水平將冰轉(zhuǎn)化為蒸汽。初步估算顯示，工業(yè)規(guī)模熱采礦處理需要 2.8 兆瓦電力，問(wèn)題的關(guān)鍵在于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(gè)小型核反應(yīng)堆，目前美國(guó)宇航局致力于該技術(shù)的研發(fā)，并取得了一些技術(shù)突破。2018 年，美國(guó)洛斯 · 阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全站和美國(guó)宇航局合作，使用斯特靈技術(shù)千瓦反應(yīng)堆(KRUSTY)實(shí)現(xiàn) 28 小時(shí)全功率電能供應(yīng)。

美國(guó)宇航局喜歡這種裂變反應(yīng)堆，因?yàn)樗梢赃B接至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一個(gè)封閉循環(huán)、能量可再生設(shè)備，并且使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低，是一種能有效為外太空熱采礦作業(yè)提供動(dòng)力的能源制造方案。

然而，斯特靈技術(shù)千瓦反應(yīng)堆使用的是 Y-12 高濃縮鈾(HEU)作為燃料來(lái)源，HEU 反應(yīng)堆更輕，像這樣的緊湊型動(dòng)力源在太空環(huán)境中具有一定優(yōu)勢(shì)，但是該設(shè)施很容易轉(zhuǎn)換為改良型核設(shè)備，其使用過(guò)程必須充分考慮后勤保障和嚴(yán)格的安全監(jiān)督。

由于這些原因，過(guò)去幾年時(shí)間里科學(xué)家研制一批小型、商用低濃縮鈾(LEU)反應(yīng)堆，它們被稱(chēng)為微型模塊反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱(chēng) MMR。目前，研制商用低濃縮鈾的公司正在積極滿(mǎn)足月球采礦的需求，部分公司已將他們的最新技術(shù)應(yīng)用于太空領(lǐng)域。

超安全核能公司(UltraSafe Nuclear Corp)就是其中一家公司，該公司銷(xiāo)售 LEU 裂變反應(yīng)堆，并制造一種 “Pylon”反應(yīng)堆。公司研究人員指出，在永久陰影隕坑中勘探月球資源，并利用熱能處理當(dāng)?shù)刭Y源非常適合核能開(kāi)發(fā)利用，然而盡管反應(yīng)堆提供電能的前景非常好，具有很廣闊的開(kāi)發(fā)潛力，但出于技術(shù)發(fā)展和政策限制，核能開(kāi)發(fā)經(jīng)常被排除在考慮范圍之內(nèi)。目前，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)表示，太空核能研發(fā)技術(shù)和政策的瓶頸限制可以突破。

如果未來(lái)計(jì)劃在月球隕坑深處進(jìn)行開(kāi)采，超安全核能公司非常明確地表示，該公司的產(chǎn)品符合該項(xiàng)太空任務(wù)的要求規(guī)格，“Pylon”反應(yīng)堆就可以，未來(lái)可通過(guò)一個(gè)大型商業(yè)月球有效載荷服務(wù)著陸器將該反應(yīng)堆運(yùn)送到月球表面。

核能開(kāi)發(fā)

炙手可熱的月球商業(yè)采礦計(jì)劃真的靠譜嗎?

歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統(tǒng)，它被稱(chēng)為 “首個(gè)直接將固體月球表層土模擬物加工成粉末”的例子

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里，人們一直在考慮如果開(kāi)發(fā)月球資源，核能熱采礦并不是唯一的選擇，歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統(tǒng)，它被稱(chēng)為 “首個(gè)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(fēng)化層與融化的氯化鈣鹽放在一個(gè)金屬籃子中作為電解液，之后再加熱。

該系統(tǒng)僅需將風(fēng)化層物質(zhì)加熱至 950 攝氏度，而不是融化表層土。依據(jù)歐洲航天局的觀點(diǎn)，電流可使氧氣離開(kāi)表層，穿過(guò)鹽層，在陽(yáng)極區(qū)域收集起來(lái)。作為一個(gè)額外的好處，該處理過(guò)程可以從月球風(fēng)化層提取可用的金屬合金。

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)貝斯 · 洛馬克斯(Beth Lomax)稱(chēng)，能夠從月球資源中提取氧氣，將對(duì)未來(lái)人類(lèi)定居月球非常有用，無(wú)論是供給人類(lèi)呼吸，還是作為本土火箭燃料制造。據(jù)悉，洛馬克斯的技術(shù)研發(fā)獲得歐洲航天局的大力支持。

另一個(gè)觀點(diǎn)是借鑒古代鏡面反射原理，希臘數(shù)學(xué)家阿基米德利用鏡面反射陽(yáng)光點(diǎn)燃入侵者的木船。依據(jù)相同原理，在月球隕坑邊緣設(shè)置定日鏡(可移動(dòng)的鏡面)，可以將陽(yáng)光直接照射在冰冷的風(fēng)化層。在隕坑邊緣每隔 120 度分別放置 3 個(gè)定日鏡，可以確保穩(wěn)定的陽(yáng)光照射到隕坑底部的礦井，同時(shí) 2 個(gè)定日鏡可將陽(yáng)光照射在蒸汽捕獲遮篷和燃料加工站。

第三個(gè)觀點(diǎn)完全不同于熱采礦法，基于研究淺層隕坑中含有細(xì)粒冰的跡象，淺層隕坑產(chǎn)冰量較小，可能僅有 2%，相比之下，深層隕坑產(chǎn)冰量較高，大約 5%，但是深層隕坑采集作業(yè)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，尤其是高等級(jí)供電需求，對(duì)淺層隕坑進(jìn)行更簡(jiǎn)單的 “挖掘 - 篩選”系統(tǒng)可使月球首個(gè)采冰礦井開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

在科幻電影中月球采礦似乎是不可能完成的任務(wù)，但目前基于成熟的技術(shù)和方案，科學(xué)家們已構(gòu)想了如何從月球上采集寶貴資源。在國(guó)家政府和航天機(jī)構(gòu)的支持下，一些國(guó)家的月球礦工們已躍躍欲試了。月球采礦業(yè)越早開(kāi)始，就能越早地提高人類(lèi)探索太空的能力，加快人類(lèi)對(duì)太空的認(rèn)知。