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太空采礦重點轉向水冰

發布時間:2019年12月03日
來源:中國礦業報(2019-12-03) 作者:魏克麗

太空采礦業經歷了一個小的興衰期,從微型興旺期到微型衰退期,但對于相關各方影響不大。

2012年成立的行星資源公司(Planetary Resources)和隨后成立的太空工業集團(DSIDeep Space Industries)可能是兩家最早開展太空采礦的公司。行星資源公司到2016年已經融資5000萬美元,并在2017年建立了開發實驗室。但據媒體報道,該公司的商業模式不如預期,在2018年被接管,現已經基本停止業務。DSI公司融資350萬美元,并獲得了美國政府的一些合同,但目前資金已經耗盡,投資者不愿再投入資金,主要是因為公司沒有按照承諾在要求的時間內提出技術開發方案。

太空采礦思想方興未艾。不過,從小行星開采金屬和礦物然后運回地球的想法有點不太現實。目前,太空采礦業的重點是開采更具現實意義的物質——水冰(太空中有多種形式的冰),然后在太空加工使用,進一步服務于太空探索和殖民。

資料圖

太空探索面臨的一個瓶頸是首個百英里(大約180公里),即突破地球重力(或換句話說,逃離地球重力井)。因此,太空飛行所攜帶物質的質量越輕越好,越快越簡便越好,而不僅僅是廉價。

水是生命之源,由氫和氧組成。將氫氧分離(例如通過電解)可以為宇航員提供在太空中的呼吸用氣。另外,在適當時候,采用水培技術可以種植蔬菜;氫和氧還可用作火箭燃料;水甚至可以用于棲息地的輻射屏蔽。

因此,在太空開采冰,轉化為液體和氣體的經濟價值有望超出預期。毋庸置疑,目前正在重建載人太空探索能力的美國國家航空航天局(NASA)對外星體采冰非常感興趣,原先對月球和近地行星的探索后來轉向了金星。

今年初,來自NASA、研究機構以及太空工業界的專家組發布了一份報告,名為《商業性月球推進劑架構:推進劑生產合作研究》(Commercial Lunar Propellant Architecture: A Collaborative Study of Propellant Production)。

該報告稱,月球科研提供的直接證據表明,其兩極永久呈現陰影的地方含有大量的水冰。由于月亮引力小,其水產品特別是氫和氧可以帶離月球,從而為整個太空探索帶來新的經濟發展機遇。比如,運行于月球表面和月球軌道之間可重復利用的“著陸器”,為低地軌道中的太空飛船補充燃料,為星際飛船在離開地球/月亮空間之前加載或補充燃料。

研究還發現,近期內每年需要從月球獲得450噸源自水的推進劑,相當于需要加工2450噸月球水,年收入可達24億美元。初步估計,這項工程需要投資40億美元,相當于拉斯維加斯一座豪華賓館的建設費用。

美國國家航空航天局曾發布一項計劃,即NASA創新先進概念(NIACNasa Innovative Advanced Concepts)計劃,為可以促進太空探索的概略研究和早期技術研發提供基金援助。

該計劃分為3個階段,于2011年設立,取代由于預算原因而關閉的NASA先進概念研究所。第一階段為期9個月,開展可行性和開發研究。研發機構可以在第一階段快結束時申請第二階段資助。第二階段可以再用兩年進行概略研究。隨后開始第三階段,為期也是兩年。用NASA官網的話說,就是不管是對NASA,或是美國其他政府機構或商業合作伙伴,第三階段就是設計用來將NASA的概念研究成果進行可產生最大影響力的戰略性轉化。

目前,特朗思阿斯特拉公司(TransAstra Corporation)和科羅拉多礦業學院(Colorado School of Mines)兩家機構獲得了NIAC資助,開展3項水冰開采技術研發。這3項技術與傳統地面采礦技術完全不同。他們都直接或間接用到了太陽能技術。不需要重型機械設備,僅僅一口井——因為往月球上運送重型設備成本上不允許。

特朗思阿斯特拉公司目前正在執行兩個NIAC項目。處于第一階段的是月極推進劑開采基地(LPMOLunar-Polar Propellant Mining Outpost)項目;處于第二階段的為小行星原地供應(APISAsteroid Provided In-situ Supplies)項目。

其中,LPMO項目基于的事實是,月球極地分布有大量的小火山口,直徑在500~1500米,可提供數百米寬的著陸區。另外,這些火山口底部有豐富的水冰層,邊緣一般高數十米到一百米,能夠永久得到陽光照射。安裝在可高達100米桿柱(月球重力低,可行)上的太陽能板能發電,一方面為基地設施提供電力,另一方面可以直接或間接地(通過動力電池)為長時間運動開采水冰的月球車提供電能。

月球車將進行“輻射氣體動力”(Radiant Gas Dynamic)采礦。月球車駛往預定的采礦點,將水蒸氣采集罐下落在在火山口底部表面,然后混合使用紅外、微波和電波輻射使水冰升華,直接變成水蒸氣。這些水蒸氣將被采集罐收集并轉化為“低溫阱”(Cryotraps)進而濃縮成水。月球車采集罐水滿后,將返回基地,卸水之后再重復上述過程。公司估計,利用美國正在研制的新型重載火箭,能夠向月球發射重量在2~5噸的月球車,這樣的月球車每年能夠開采其重量20~100倍的冰水。

APIS項目的目標是采礦,或“捕獵”近地小行星,將小行星網在“袋子”里。太陽光直接聚焦照射在小行星上,將其爆裂,釋放出水。要完成此項作業,需要特殊的宇宙飛船組合。包括近地軌道技術展示器——“小蜜蜂”(Mini Bee),以及作業宇宙飛船“蜂后”(Queen Bee),其作用是捕獲并開采直徑小于40米的小行星。NIAC的合同內容是開發可供飛行的采集器。在這方面,特朗思阿斯特拉公司能夠提供低地軌道應用示范。

科羅拉多礦業學院的項目為開發“熱采礦”(thermal mining)模型,包括月極火山口邊緣上的定日鏡(跟隨太陽移動并將太陽光線反射到固定方向的光學裝置);研發可以建在火山口底部“捕蓬”(Capture tents)。

火山口邊緣上的定日鏡將把太陽光反射到捕蓬頂上的光學裝置上,捕蓬可以聚集太陽光,反射到捕蓬,然后到達火山口底部,使得水冰升華。水蒸氣隨后被捕蓬采集。然后,可以用太陽光來加熱熱導棒以抵達月球表面。

該項目目前處于第一階段。其主要任務是開發與目標火山口底部發現的水--月壤組合類似的物質(月壤與地球表面的土壤類似,但是月壤與土壤完全不同,因為土壤含有大量的有機物,而月壤不含任何有機物),可以在低溫真空室驗證各種太陽能加熱方法的效果。

“商業性月球推進劑架構”(Commercial Lunar Propellant Architecture)報告顯示,補充燃料技術降低了太空運輸成本,業界將出現全新的商業模式和勘探機會。即使研究中的客戶尚處于早期階段,這也是一項可以贏利并具備良好發展潛力的投資。

[責任編輯:dc]

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