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太空采矿重点转向水冰

2019-12-3 8:57:10 作者:魏克丽

太空采矿业经历了一个小的兴衰期,从微型兴旺期到微型衰退期,但对于相关各方影响不大。

2012年成立的行星资源公司(Planetary Resources)和随后成立的太空工业集团(DSI,Deep Space Industries)可能是两家最早开展太空采矿的公司。行星资源公司到2016年已经融资5000万美元,并在2017年建立了开发实验室。但据媒体报道,该公司的商业模式不如预期,在2018年被接管,现已经基本停止业务。DSI公司融资350万美元,并获得了美国政府的一些合同,但目前资金已经耗尽,投资者不愿再投入资金,主要是因为公司没有按照承诺在要求的时间内提出技术开发方案。

太空采矿思想方兴未艾。不过,从小行星开采金属和矿物然后运回地球的想法有点不太现实。目前,太空采矿业的重点是开采更具现实意义的物质——水冰(太空中有多种形式的冰),然后在太空加工使用,进一步服务于太空探索和殖民。

资料图

太空探索面临的一个瓶颈是首个百英里(大约180公里),即突破地球重力(或换句话说,逃离地球重力井)。因此,太空飞行所携带物质的质量越轻越好,越快越简便越好,而不仅仅是廉价。

水是生命之源,由氢和氧组成。将氢氧分离(例如通过电解)可以为宇航员提供在太空中的呼吸用气。另外,在适当时候,采用水培技术可以种植蔬菜;氢和氧还可用作火箭燃料;水甚至可以用于栖息地的辐射屏蔽。

因此,在太空开采冰,转化为液体和气体的经济价值有望超出预期。毋庸置疑,目前正在重建载人太空探索能力的美国国家航空航天局(NASA)对外星体采冰非常感兴趣,原先对月球和近地行星的探索后来转向了金星。

今年初,来自NASA、研究机构以及太空工业界的专家组发布了一份报告,名为《商业性月球推进剂架构:推进剂生产合作研究》(Commercial Lunar Propellant Architecture: A Collaborative Study of Propellant Production)。

该报告称,月球科研提供的直接证据表明,其两极永久呈现阴影的地方含有大量的水冰。由于月亮引力小,其水产品特别是氢和氧可以带离月球,从而为整个太空探索带来新的经济发展机遇。比如,运行于月球表面和月球轨道之间可重复利用的“着陆器”,为低地轨道中的太空飞船补充燃料,为星际飞船在离开地球/月亮空间之前加载或补充燃料。

研究还发现,近期内每年需要从月球获得450吨源自水的推进剂,相当于需要加工2450吨月球水,年收入可达24亿美元。初步估计,这项工程需要投资40亿美元,相当于拉斯维加斯一座豪华宾馆的建设费用。

美国国家航空航天局曾发布一项计划,即NASA创新先进概念(NIAC,Nasa Innovative Advanced Concepts)计划,为可以促进太空探索的概略研究和早期技术研发提供基金援助。

该计划分为3个阶段,于2011年设立,取代由于预算原因而关闭的NASA先进概念研究所。第一阶段为期9个月,开展可行性和开发研究。研发机构可以在第一阶段快结束时申请第二阶段资助。第二阶段可以再用两年进行概略研究。随后开始第三阶段,为期也是两年。用NASA官网的话说,就是不管是对NASA,或是美国其他政府机构或商业合作伙伴,第三阶段就是设计用来将NASA的概念研究成果进行可产生最大影响力的战略性转化。

目前,特朗思阿斯特拉公司(TransAstra Corporation)和科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)两家机构获得了NIAC资助,开展3项水冰开采技术研发。这3项技术与传统地面采矿技术完全不同。他们都直接或间接用到了太阳能技术。不需要重型机械设备,仅仅一口井——因为往月球上运送重型设备成本上不允许。

特朗思阿斯特拉公司目前正在执行两个NIAC项目。处于第一阶段的是月极推进剂开采基地(LPMO,Lunar-Polar Propellant Mining Outpost)项目;处于第二阶段的为小行星原地供应(APIS,Asteroid Provided In-situ Supplies)项目。

其中,LPMO项目基于的事实是,月球极地分布有大量的小火山口,直径在500米~1500米,可提供数百米宽的着陆区。另外,这些火山口底部有丰富的水冰层,边缘一般高数十米到一百米,能够永久得到阳光照射。安装在可高达100米杆柱(月球重力低,可行)上的太阳能板能发电,一方面为基地设施提供电力,另一方面可以直接或间接地(通过动力电池)为长时间运动开采水冰的月球车提供电能。

月球车将进行“辐射气体动力”(Radiant Gas Dynamic)采矿。月球车驶往预定的采矿点,将水蒸气采集罐下落在在火山口底部表面,然后混合使用红外、微波和电波辐射使水冰升华,直接变成水蒸气。这些水蒸气将被采集罐收集并转化为“低温阱”(Cryotraps)进而浓缩成水。月球车采集罐水满后,将返回基地,卸水之后再重复上述过程。公司估计,利用美国正在研制的新型重载火箭,能够向月球发射重量在2吨~5吨的月球车,这样的月球车每年能够开采其重量20~100倍的冰水。

APIS项目的目标是采矿,或“捕猎”近地小行星,将小行星网在“袋子”里。太阳光直接聚焦照射在小行星上,将其爆裂,释放出水。要完成此项作业,需要特殊的宇宙飞船组合。包括近地轨道技术展示器——“小蜜蜂”(Mini Bee),以及作业宇宙飞船“蜂后”(Queen Bee),其作用是捕获并开采直径小于40米的小行星。NIAC的合同内容是开发可供飞行的采集器。在这方面,特朗思阿斯特拉公司能够提供低地轨道应用示范。

科罗拉多矿业学院的项目为开发“热采矿”(thermal mining)模型,包括月极火山口边缘上的定日镜(跟随太阳移动并将太阳光线反射到固定方向的光学装置);研发可以建在火山口底部“捕蓬”(Capture tents)。

火山口边缘上的定日镜将把太阳光反射到捕蓬顶上的光学装置上,捕蓬可以聚集太阳光,反射到捕蓬,然后到达火山口底部,使得水冰升华。水蒸气随后被捕蓬采集。然后,可以用太阳光来加热热导棒以抵达月球表面。

该项目目前处于第一阶段。其主要任务是开发与目标火山口底部发现的水-冰-月壤组合类似的物质(月壤与地球表面的土壤类似,但是月壤与土壤完全不同,因为土壤含有大量的有机物,而月壤不含任何有机物),可以在低温真空室验证各种太阳能加热方法的效果。

“商业性月球推进剂架构”(Commercial Lunar Propellant Architecture)报告显示,补充燃料技术降低了太空运输成本,业界将出现全新的商业模式和勘探机会。即使研究中的客户尚处于早期阶段,这也是一项可以赢利并具备良好发展潜力的投资。△

网站编辑:宫莉

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