小天體資源開發利用現狀分析與發展建議

黃江川,王冀蓮,杜宇,孟林智,張曉靜

(1.中國空間技術研究院,北京 100094;2.北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

太空是人類繼陸地、海洋和大氣之后開拓的第四活動空間,是探索科學新發現、增進與展示新技能、特殊資源開發與利用的國際競爭制高點和試驗場。隨著地球資源日益面臨枯竭之虞,人類在地球環境實現長期可持續發展方面面臨巨大挑戰。于是人類將目光投向了外空資源,月球、小天體、火星,乃至更遠的深空。小天體是近期外空資源開發最有價值的目標之一,也是遠期太空探索“天然的跳板”。

如今,飛速發展的航天技術使得人類的野心不再是癡人說夢,小天體資源開發與利用是航天事業發展和空間應用的前沿領域,也是近年來國際空間外交舞臺及各國航天科技界、空間法學界的熱議話題。美國、歐空局等空間大國和國際組織已經從國家實踐、空間政策、國際合作等方面成為了外空資源開發與利用的先驅者。與此同時,美國[1]、盧森堡[2]等國家也從政府層面通過立法對商業航天企業開展小天體資源開采的行為提供了法律保障和依據,以小天體資源開采為目標的商業航天企業也以前所未有的速度和規模發展,正在深刻影響世界航天的發展格局,也揭開了太空“大航海”時代的序幕。

2 小天體資源概況

小天體是太陽系形成時的殘留碎片或大行星毀滅后的殘骸。在太陽系內,大約有100萬顆直徑1km以上的小天體。這些小天體中蘊藏著儲量巨大的稀缺礦產、貴金屬和水及其他揮發成分等資源,目前可供開發的小天體主要包括近地小行星和分布在火星和木星軌道之間的主帶小行星,尤其是許多近地小行星在能量方面相對容易到達,并且具有非常低的表面重力,非常有利于將提取到的資源轉移到地球或近地軌道上,可大大降低開發的成本[3]。

圖1 小天體資源概況及主要應用Fig.1 Overview and main applications of small celestial bodies resources

金屬類M型小行星 (數量約占近地小行星總數的百分之幾)主要有鐵-鎳合金組成,不同金屬型小天體鐵和鎳比例有所不同,其中鐵含量有的可高達90%,鎳的含量一般在5%～25%之間,可作為工業發展的重要儲備。更令人感興趣的是,人類已經在近地金屬類M型小行星中識別出了高品位的金和鉑族金屬元素礦藏,在有關的隕石中發現鉑、銠、銥、鈀和金都有很高的含量。以今天這些元素的價格 (2萬～5萬美元/kg)計算,結果是一顆直徑約200m的小型金屬M型小行星的可能價值在1000億美元的量級上。美國天文學家發現并命名為1986DA的一顆小行星,其直徑約為1600m,含有10萬噸鉑、十幾萬噸金和10億噸鎳,這些貴金屬的總價值約為1.5萬億美元。美國一家專門做小行星礦產及其價值評估的網站Asterank,對第241號小行星“Germania”上所具有的礦產資源作出評估,評估其價值達到95.8萬億美元,超過了目前全世界的GDP總量[4]。

除科學意義上的金礦外,一些小天體也被認為是具有真正戰略意義的“金礦”。碳質隕石類C型小行星 (數量約占近地小行星總數的10%～15%)相對富含揮發性物質,包括水、氫和氧等。一方面,水在生命起源和演化過程中起了非常重要的作用,具有很大的科學研究價值。另一方面,水又是重要的自然資源,可以作為人類空間探測的能源補給站,為未來深空探測任務提供水、氫和氧,而不需要克服地球引力將這些資源從地球運出 (從小天體運送水資源到空間站要比從地球上運送更容易,可以節省大量能源),這對未來的太空經濟具有重要價值[5]。

普通的球粒狀隕石類S型小行星 (數量約占近地小行星總數的大多數)除含有幾個百分比的鐵-鎳金屬、百萬分之一水平的鉑族元素外,主要成分是硅酸鹽,可作為太空建造和防護的主要原材料[6]。

可以預見,隨著相關技術的發展和成熟,對小天體上蘊藏的資源進行開發利用,可以創造出極為可觀的經濟價值。此外,通過把數百噸的小天體置于地月引力系統或近地空間,航天員通過幾天的航行即可抵達小天體開展探測,可顯著降低任務成本。也可將其作為“中轉站”,為后續建立空間設施以及星際航行轉移系統提供大量基礎材料,包括萃取推進劑、開發防護材料、建造星際航行防輻射結構,甚至整個星際探測產業鏈所需要的材料。

3 資源開發利用發展現狀

美國政府一直重視小天體資源開發與利用,2010年開始,NASA支持了“小行星重定向任務”(Asteroid Redirect Mission,簡稱ARM)研究,嘗試外空資源開發與利用的相關技術攻關,其任務概念如圖2所示[7]。該任務最初的目標是選定一顆直徑約7m、重約500t的C類近地小天體,用口袋式抓捕系統對其實施抓捕,并于2025年左右將其帶回近月軌道,隨后運送航天員對其進行勘探和開采,經過多輪論證,提出了以“小天體整星口袋式抓捕”和“小天體表面石塊采集”為代表的多種方案,但特朗普政府宣布該任務無限期推遲,目前相關技術的研發仍有資金支持。

圖2 ARM任務概念圖Fig.2 ARM Task concept map

小行星機器人勘查任務 (RAP,Robotic Asteroid Prospector)[8]是美國提出的一項采用可重復使用探測器,可在多個小天體工作的采樣任務。探測器采用太陽能推進技術實現推進、采樣、樣品處理等過程,往返于地月拉格朗日點與小天體之間,利用太陽聚能器提取小天體水資源,利用腿式螺旋鉆獲取土壤樣品,采集小天體液態水,通過可分離式穿透器獲取土壤樣品,并兼顧考慮鉑等金屬樣品采集,探測器外形如圖3所示。

圖3 小天體機器人勘查探測器示意圖Fig.3 Concept map of the robotic asteroid prospector(RAP)

除政府項目外,美國還采用了在政府支持下的商業航天探索模式。2015年底美國通過了《2015外空資源探索和利用法》,為私人實體進行月球及行星采礦提供了法律依據,賦予了私人實體對其開采的任何小天體資源或外空資源的各項權利,包括占據、擁有、運輸、使用和出售的權利。在政府的支持下,一些實力雄厚的私人實體均迅速規劃了各自的外空資源開發與利用路線圖,紛紛規劃在2030年左右實現對近地小天體的礦產、水冰等資源進行開發利用,期望在未來的載人火星探測任務中,為其提供近地空間的燃料補給、實現人類太空移民和空間旅行等任務。幾個具有代表性的商業公司包括[7]：

(1)行星資源公司 (Planetary Resources)[10]

行星資源公司計劃通過從近地小天體開采高濃度的水資源和貴金屬,并將這些資源提供到可以獲得經濟回報的地方。在開采貴金屬之前,行星資源公司打算在外空中利用富含碳質球粒隕石分解成高效的LOx/H2火箭燃料。

用于從小天體中提取和精煉火箭燃料的實際方法取決于目標小天體的具體組成,并需要利用行星資源公司的ARKYD探礦者進行密切的勘察。由于外空的獨特環境,所需的采礦設備可能比想象的更為簡單,甚至不需要與小天體表面進行接觸。一個從小天體中提取水資源的可能概念如下：

①包圍：完全包圍一個小型小天體或在一個大型小天體附近放置一塊冷板。

②加熱：將太陽能集中反射到小天體表面上,使小天體表面達到一定的溫度,使水分揮發并凝結在冷板上。

③釋放：一旦收集到所需的數量,立即釋放或離開小天體,將燃料送到需要的站點,例如地球軌道或太陽系中的其他地方。

(2)深空工業公司 (Deep Space Industries)[11]

深空工業公司制定的外空資源開發與利用的發展路線可分為多個階段,但基本上是首先對形勢具有非常好的認知,用較小的航天器進行一些勘探,獲得一些加工、處理后的礦物,然后把它們賣給運營中的航天活動,作為其“在軌資產”。

認知：擁有豐富資源的近地小天體最具有開發的價值,因為抵達目標并返回所需的能量最少,且人類認知的范圍將持續擴大。

勘探：首先識別尚未查明的數百萬個潛在有價值的天體,了解目標特性,包括軌道、成分組成和礦物類型。探測方式包括紅外遙感、就位探測和取樣返回。

材料采購：采集小天體礦石并在現場加工處理,僅運輸精煉礦石,或者將原礦或精選礦石運輸到地球附近或地球上的穩定位置進行加工處理。也可考慮通過移動整個小型近地小天體 (直徑為1～10m)或收集較大型近地小天體的一部分并運輸子樣本,將原始星體物質運送到地球附近的停泊軌道或直接運送到地球。

加工處理：首先提取具有最高直接價值的元素或化合物 (揮發物和鐵-鎳混合物)。對這些加工處理中產生的殘留物可以先進行儲存,直到對它們的需求增加,或者有更經濟的方式提煉它們。在高價值材料被紛紛加工處理后,剩余的材料可以用來進行輻射保護,在太空市場內仍然具有價值。深空工業公司路線圖如圖4所示。

圖4 深空工業公司路線圖(a)螢火蟲探礦航天器標記潛在的備選小天體;(b)蜻蜓飛船從備選小天體中采集樣品;(c)母艦運輸經初加工的目標小天體;(d)對目標小天體進行加工處理Fig.4 Roadmap of Deep Space Industries

此外,世界上采礦方面研究實力最強的機構之一美國科羅拉多礦業學院開設了太空采礦專業,已于2018年下半年開始招生。

盧森堡是繼美國之后,世界上第二個立法推動小天體采礦的國家,也在技術引進和企業扶植上進行了一定的投入,成為該領域的先驅者之一,也體現出了其政府一貫的戰略思維及對外空資源開發與利用的商業潛力的肯定。

我國也高度關注小天體資源開發利用這一新興話題,目前多家單位從政策、技術和法律等層面已經開展相關研究,并取得一定成果。中國科協也已將“近地小天體調查防御與開發問題”納入了2019年20個對科學發展具有導向作用、對技術和產業創新具有關鍵作用的前沿科學問題和工程技術難題[12]。

綜上,小天體資源開發利用的熱度不斷提高,越來越多的國家政府、研究機構和商業公司等都對這一新興產業產生了濃厚的興趣,相關技術的發展和法律政策的制定均已進入快車道。但除美國之外,其他主要航天國家受技術水平和經濟能力的限制,依舊采用政府主導的太空探索模式,規劃論證的任務還主要集中在探測的層面,距離真正的資源開發與利用尚存在較大差距。而美國已全面開展在政府支持下的商業探索模式,以小天體資源開發與利用為宗旨的商業航天公司的出現,標志著該領域將成為未來美國航天探索活動的熱點。可以預見,高效靈活、具有契約精神的商業活動,可能成為未來外空資源開發與利用的主導。

4 能力評估及分析

針對外空資源開發與利用,應首先建立一套完備的技術發展體系,以小天體資源開發與利用為例,中國空間技術研究院葉培建院士及其團隊[13],提出整個技術脈絡應包括“選、探、控、用”四個方面。“選”,即目標發現與選擇;“探”,即目標到達與探測;“控”,即目標捕獲與操控;“用”,即目標開發與利用。其中開展小天體的資源開發與利用,包括小天體資源的實地利用,小天體自然平臺的利用,小天體基地的建設與維護以及涉及到載人登陸小天體探測等技術問題。涉及到的關鍵技術包括：

(1)小天體表面能量利用技術;

(2)小天體表面推進劑獲取與制備技術;

(3)原位資源利用技術;

(4)資源回收和循環利用研究;

(5)小天體地質學研究方法與設備研制;

(6)小天體物理學研究方法與制備研制;

(7)小天體化學研究方法與制備研制;

(8)長期生命保障技術;

(9)空間輻射生物學研究;

(10)微重力生物學研究。

美國依靠強大的綜合國力,在技術、政治和經濟各個方面的能力均明顯強于其他國家。全球布局的地面觀測網絡、以哈勃和NEOWISE望遠鏡為代表的天基觀測系統,使美國在小天體監測與目標選擇方面具有絕對優勢。1996年,美國發射了世界首個小天體探測器“近地小天體交會”探測器 (NEAR),到目前,已實現或正在開展對小天體的飛掠、撞擊、環繞、著陸以及采樣返回等探測任務,對小天體“探”的能力全面展開。特別是美國通過業已暫停的“小天體重定向”任務的研制,開展了大量“控”、“用”層面的原理驗證和試驗,基本完成了相關的技術積累。此外,行星資源、深空工業等商業航天企業,在小天體水資源開發、基于水的推進系統、原位3D打印等關鍵技術方面進行了深入研究,我們有理由相信這些技術的突破就在不久的將來。

俄羅斯由于國內政治經濟的發展相對滯后,導致不太可能像冷戰時期對太空探索事業的大規模投入。但蘇聯時期積累下的技術基礎依然高于除美國之外的其他航天國家,以火衛取樣返回為目標的“福布斯—土壤”任務雖然發射失敗,但也說明俄羅斯在小天體資源開發“選”和“探”方面具有充分的技術積累。可以說,俄羅斯從技術層面上具備了實施太空資源開發與利用的能力,但是由于經濟和政治的原因,很多規劃的任務難以在較短的時間內實現。

歐洲在技術層面具有一定的優勢,位于西班牙的加那列大型望遠鏡、蓋亞探測器等基礎觀測設施的部署使歐洲在小天體觀測方面形成較強能力,其蓋亞天基望遠鏡數據也用于發現小天體,“羅塞塔—菲萊”任務[14]是人類首次實現彗星的附著探測,標志著歐洲在小天體探測領域某些方面甚至超越美國。此外,歐洲在地外天體的科學探索以及載荷的研制能力方面也具有明顯優勢,但限于政治體制,以及近些年來歐洲的經濟危機等因素,使得歐洲也不具備獨自開展大規模外空資源開發與利用的能力,尋求國際合作是歐洲發展外空資源開發與利用的必然趨勢。

日本和印度雖然具備了一定深空探測的技術基礎和經驗,但綜合實力較美俄歐還有較大差距,極有可能通過與美國合作的形式,實現外空資源開發與利用,其中日本通過隼鳥系列探測器任務的實施,掌握了成熟的小天體樣品返回的形式,在世界范圍內暫時屬于領先地位。

隨著我國在國際上政治地位的不斷提升,國民經濟的不斷發展,空間探測事業在近幾十年取得了長足的進步。中科院紫金山天文臺于2006年10月在江蘇盱眙設置了近地天體望遠鏡,物鏡鏡頭直徑超過1m。2009年12月該望遠鏡正式服役,使我國初步具備小天體觀測能力。而探月工程的成功實施,使我國具備了一定的深空探測能力。最新的月球與深空探測任務的規劃中,也將在月球建立科研站,將原位資源開發與利用作為任務目標之一;對小天體和火星的探測任務也在規劃論證和研制過程中。可以說我國已經初步具備了一定的進行外空資源目標選取和探測的能力,但距離真正實現外空資源的開發與利用,尚需時日。

5 發展建議

國際太空探索協調組 (ISECG)于2007年、2013年和2018年先后出版了三版全球探索路線圖[15],為各國政府在人類航天探索方面的國際合作確定了“從地球軌道空間站,以月球軌道和小天體為跳板,最終實現載人登火和建設火星基地”的發展路線圖。然而,該路線圖并沒有過多涉及私營商業企業的活動。而截至目前,小天體資源開發與利用更多的被視為一種商業開發活動,因此,制定該任務的發展路線圖應參考一些私人企業制定的發展規劃,如深空工業公司的近期期望、行星資源公司對小天體的積極探索、沙克爾頓能源公司的供水方案,以及王劍探索公司的三步規劃等。

中華民族的先人在陸地上創造了燦爛的文明,但當西方進入大航海和航空時代,我國相對滯后,使中華民族經歷了長達百年的屈辱歷程。當今,太空資源已成為了世界各國爭奪的主要戰略資源,是未來世界的新邊疆,我國也應奮勇爭先。對于我國在外空資源開發與利用的發展建議如下：

(1)小天體資源具有巨大的開發前景,但目前人類對其認識還很有限,國際上對小天體資源的開發與利用也在探索研究中。“先到者先受益、先開發先利用”,未來小天體一旦成為了戰略重點和資源爭奪的熱點,將面臨如何維護國家利益和保護安全等諸多現狀。因此,我國應加強相關政策和法律的研究,避免因政策和法律的滯后,制約我國在外空資源開發與利用領域的發展。

(2)目前,美國、加拿大及歐洲的政府及私人機構正在進行小天體資源開發與利用技術研發,其支持率持續增長,并得到立法保護。商業應用和未來利潤的潛能刺激私人實體在技術成熟化方面的投資。越來越多的私人實體公開宣布了他們對小天體資源的興趣。因此,我國應盡早謀劃,提早布局,開展戰略研究。

(3)小天體資源開發利用是一項高成本高風險,且關乎全人類未來的問題,我國應積極推動國際合作,可參照國際空間站合作形式,參與國家共同努力,實現風險同擔、互利共贏。

(4)小天體資源開發利用應重視商業資本,吸納更多的國營及民營航天力量,對商業發展模式進行深入探討,并進一步發展相關技術。

綜上,小天體資源開發利用是一項大的系統工程,也是未來彰顯我國航天強國的重要標志。同時它也是一個全球范圍內的高風險高收益的商業活動,將面臨技術、經濟、法律、政治等多方面的挑戰,前沿性和基礎性問題更多。目前,我國具備了一定的資源探測能力,而資源開發利用能力還未形成,需要開展長期、持續、深入的研究。