我曾在科学和科幻文章中读到过关于“小行星采矿”的说法。这是否可行?如果可行,将如何实现?我们又能从中提取哪些有价值的材料?

美国国家航空航天局约翰逊航天中心的戴维·S·麦凯(因作为描述火星陨石中可能存在古代生命证据的论文的主要作者而闻名)对这个想法进行了广泛的研究。他回复道:

“小行星采矿是一个已经存在了几十年的概念。其基本概念是从近地小行星中提取物质,这些小行星的轨道靠近地球——这是一个与主带小行星完全不同的群体,主带小行星在火星和木星之间运行。从小行星中提取的资源可以在太空开发,以支持太空飞行、空间站甚至月球基地。这些应用中最有用的材料可能是水、甲烷或其他化合物,这些化合物可以加工成火箭燃料,或者用于替代生命支持所需的消耗品。一些研究人员认为,小行星中的金属(铁、镍等)也可能被开采,作为在太空中建造结构的原材料。

“开采小行星的另一个主要原因是将战略金属或贵金属带回地球。最有希望提取的金属包括稀有(且昂贵)的铂和铂族贵金属以及黄金。行星天文学家认为,平均而言,小行星应该比地球甚至月球上的典型岩石拥有更高丰度的这些金属。这种预期是基于这样的假设,即小行星要么是未分化的物体(用专业术语来说,它们具有‘球粒陨石’成分,其中所有矿物都结合在一起),要么是分化的物体(矿物没有混合在一起)。如果小行星是分化的,它们甚至可能将这些元素集中在可接近的位置,例如因撞击而暴露的富含金属的核心。”


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“大多数早期的小行星采矿概念都要求人类访问小行星并进行开采,但一些较新的想法涉及完全由机器人执行的任务。一种选择是简单地将小行星块带回地球,并在某个偏远地区撞击它们,在那里建立一个加工厂。其他可能性包括将小行星块投放到月球上,或者在小行星本身上加工材料,或许可以先将其带入绕地球轨道。美国地质调查局的杰弗里·S·卡吉尔(大众科学1996年11月刊《火星上的全球气候变化》的合著者)最近的经济分析表明,即使贵金属的价格因大量新供应而大幅下跌,这样做也可能是有利可图的。该领域的其他专家包括亚利桑那州的咨询地质学家戴维·库克,他开发了机器人采矿的概念,以及亚利桑那大学的约翰·刘易斯,他长期以来一直是小行星采矿的倡导者。

“访问近地小行星所需的技术已经成熟——访问其中一些天体所需的火箭动力和燃料比去月球所需的要少。然而,开采它们并带回有用材料所需的技术尚未开发出来。目前尚不清楚这将有多么困难和昂贵,也不清楚这项任务是可以通过机器人完成,还是需要人工监督。美国国家航空航天局没有开采小行星的计划,尽管该机构确实打算用机器人探测器探索小行星,并可能最终进行载人任务。”

亚利桑那大学的约翰·S·刘易斯补充了另一个视角:

“对于这个问题,实际上有两种截然不同的答案。第一个答案针对的是通常的、默认的假设,即我们将寻求地外资源,目的是将它们进口到地球上供这里的工业使用。实际上,很少有商品可以通过这种方式有利可图地进口。唯一的传统进口商品——科学样品——不仅市场有限,而且随着分析技术变得更加灵敏,对此类样品的需求可能会继续下降。另一个主要的值得进口的类别是贵金属和战略金属,包括铂族金属(用于高温和耐腐蚀合金及涂层,以及工业和汽车催化剂)和非金属,如镓、锗和砷(用于制造VLI计算机芯片)。后者可以在微重力条件下有利可图地加工成大型晶体。

“第二种类型的答案,在我看来,更为重要得多,是利用太空资源来抵消大规模太空行动的成本,并允许在太空进行自主行动。在这里,第一个感兴趣的商品很可能是来自近地小行星子集的水,这些近地小行星要么是C型(碳质)小行星,要么是已灭绝的彗星核。这两者可能共同构成了近地小行星数量的一半或更多。这些水将用于制造氢气和氧气火箭推进剂,当然,水和氧气也将可用于太空栖息地。另一个不返回的感兴趣的资源几乎肯定是含铁金属。天然的‘不锈钢’合金在陨石和小行星中非常常见,表明它们可以大规模用作太空中的结构材料。

“与利用太空资源发电也存在一些非常有趣的机会。这里的选择包括在高地球轨道上建造太阳能卫星,将太阳能以微波能量的形式传输到地面。从月球表面(由太阳风注入)回收氦-3可能具有经济吸引力,可以作为地球上聚变动力反应堆的清洁燃料来源,或者用于月球上的聚变,并将电力传输到地球。同样,可以在月球上用当地的月球材料建造太阳能收集器,将电力送回地球。

“如果卫星的高质量、低技术组件是在太空中用小行星或可能的月球材料制造的,那么太阳能卫星的建造原则上可以变得便宜得多。展望更远的未来,巨行星中的氦-3和氘含量是如此巨大,以至于从它们的大气层(特别是天王星和海王星)中提取和回收聚变燃料的方案可以为地球供电,直到太阳衰老死亡。

“最经济的太空材料来源是那些拥有最丰富有价值商品且最容易从地球到达的天体:这些就是近地小行星。它们唯一缺少的是具有经济吸引力的氦-3含量。

“近期从地球表面到轨道的发射成本约为每公斤600美元,再加上在近地轨道和附近小行星之间循环的太空渡轮(在其寿命期内,每从地球发射一吨设备,就能返回100吨材料),这表明未来近地空间中原材料的供应成本为每公斤几美元。这与地球上一栋房子的成本相当。

“我的新书《天空采矿:来自小行星、彗星和行星的无限财富》(Addison-Wesley,1996年)以及技术卷《近地空间资源》(J. S. Lewis、M. S. Matthews 和 M. L. Guerrieri 合著,亚利桑那大学出版社)和《太空资源》(由 M. F. McKay、D. S. McKay 和 M. B. Duke 编辑,可在美国政府印刷局获得)详细讨论了这些和其他资源选项。

“克莱门汀号航天器报告探测到月球上的极地冰,这增加了一个有趣的选项:在月球极地附近永久光照充足的地点建立基地。”

“这些计划的瓶颈在于需要对近地小行星和月球极地进行详细的矿物表征。尽管近期用于发现近地小行星以及小型月球和小行星航天器任务的资金一直在增加,但资金水平仍然比用于单个大型军事或民用航天器(例如,哈勃太空望远镜,或雷达或光学侦察卫星)的资金少100到1000倍。”

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