太空采礦距離現實有多遠

晨陽 馬俊

如何從月球開采“無盡的能源”

美國“太空”網站在介紹為何美；國國家航空航天局（NASA）要急著“重返月球”時，特意提到了月球資源的商業開采前景，其中最受關注的當屬月球上儲量豐富的氦-3資源。

據介紹，可控核聚變具有能量密度大、清潔、燃料豐富、安全性高等突出優點，被認為是人類的終極能源，而氨-M能提供“最清潔的可控核聚變能源”。它作為可控核聚變的燃料之一，產生的能量是鈾-235核裂變反應的12.5倍。更重要的良，與氘、氚等核聚變燃料不同，氨-3在聚變反應中不會產生中子二次輻射危險，更加清潔和可控。100噸氦-3核聚變產生的能量即可供應全球使用1年。另外，氦-3是獲得極低溫環境的關鍵制冷劑，是超導、量子計算等前沿研究領域的必需物質。

業內專家告訴《環球時報》記者，地球上氨元素主要是氦-4，氦-3儲量只有0.5噸左右。但在地球上稀缺的氦-3,在月球上卻是儲量驚人。專家介紹說，月球上的氦-3主要來自太陽風的輻照。作為太陽核聚變的產物，攜帶氦-3的太陽風持續向宇宙空間噴發。當太陽風吹到月球時，由于月球沒有大氣和磁場，它就如同一個超級收集器，將氨-3存儲在月球表面的月壤里。科學家估計，在月球形成的數十億年間，可能遭到多達數億噸氦-3粒子的撞擊，其中相當部分被保存在月壤中。而地球的大氣層和磁場雖然保護了生命的演化，但同時也將攜帶氦-3的太陽風阻擋在外，這也是地球上氦-3稀缺的主要原因。

美國“阿波羅”計劃和蘇聯“月球”系列探測器取回的月球樣本也都證明，氦-3在月球表面的含量遠高于地殼含量，預計在月壤中的氦-3總量在65萬-322萬噸左右。這意味著從月球獲得的氦-3足以滿足地球上萬年的能源需求。因此在近年的月球商業開發熱潮中，不少企業都提出了從月球上提取氦-3的設想。美國“曲會山”網站稱,一家美國核能公司此前已經就開采月球氦-3資源簽署了一份意向性協議，其中設想利用特種月球車收集月球表層的月壤，將它們運送到處理室中分離出氦-3并儲存起來，等待運載火箭將其送回地球。據稱，在月球收集氦-3的相關設備已經在地面進右了實際測試。

但英國倫敦大學的伊恩?克勞福德教授對于從月球提取氦-3的經濟可行性提出質疑。他表示，由于氦-3在月壤中沒有形成類似地球礦脈那樣的富集區域，因此想要分離足夠的氦-3就必須處理海最的月壤，這意味著需要相當龐大的處理設施。相關研究報告顯示，如果要達到每年從月球收集100噸氦-3的能力，考慮到月壤的氦-3含量非常少（雖然相比地球含量已經很高了），需要上千輛專用礦車才能滿足需求。再加上龐大的處理設備以及往返地月的太空運載工具，前期投入可能高達上萬億美元。

克勞福德還提到，當前對于月球氦-3儲量的估算主要都是基于美國和蘇聯從月球低緯度地區帶回的樣本。但氦-3在月球上是否可能存在分布不均的情況？這還需要未來進一步對于月球南北極地區樣本的考察。

專家介紹說，中國對嫦娥五號探測器獲得的月球樣本的最新研究成果，有助于推進月球氦-3的開采。此前的研究認為，想要從月壤中分離氦-3,必須提供700攝氏度以上的高溫環境，這樣不但耗能較高，而且速度慢，不利于在月球上原位開采。而中國科學院寧波材料技術與工程研究所、航天五院錢學森實驗室、中國科學院物理研究所和南京大學等諛合團隊發現，月壤中鈦鐵礦顆粒表面存在一層非晶玻璃，它具有極高的穩定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。因此通過機械破碎法，可在常溫下提取以氣泡形式儲存在鈦鐵礦顆粒中的氦-3,而不需加熱至高溫。而且鈦鐵礦具有弱磁性，可通過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便于在月球上原位開采。根據月球鈦鐵礦總量估算，以氣泡形式儲藏的氦-3總量或高達26萬噸，如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。這些結果不但為月球上氦-3的富集機理提供了新的見解，也為未來月球氦-3的原位開采利用奠定了理論基礎,對探尋月球資源的有效利用路徑具有重要意義。▲

月球還有哪些礦產值得開采

除了氨-3之外，月球上還有大量礦產存在開采價值。其中備受關注的就是稀土元素和放射性元素。眾所周知，稀土元素具有獨特的磁性或催化性能，是電子器件中的關鍵成分，也在導彈、智能武器、導航儀、噴氣發動機等軍事高新技術領域肴重要應用價但這些稀土元素的開采難度大、成本高，而且在地球上的分布很不均勻。

英國廣播公司網站稱，月球上的稀土元素和放射性元素廣泛存在于克里普巖中。據介紹，月球形成之初，曾被深達數百公里的巖漿洋覆蓋。隨著溫度降低，巖漿開始固化，形成巖石。當巖漿洋結晶程度達到約98%時，不相容元素(不喜歡進入固體，而喜歡進入熔體的元素)在殘余熔體中高度濃縮，最終在月殼和月幔之間形成克里普巖夾層，它因富含鉀、稀土元素和磷而得名。據估算，月球克里普巖中蘊藏的稀土元素、釷、鈾的資源量分別約為6.7億噸、8.4億噸和3.6億噸。

報道還提到，在地球上提煉稀土素可能會對環境造成嚴重污染。“考慮到這點，月球是個最佳替代選擇。它可能是個價值數萬億英鎊的巨大市場”。

考慮到傳統開采稀土元素的方法并不適用于月球或太空環境，科學家們正在尋求新概念的開采方法，其中就包括利用微生物的“生物采礦”。英國《自然?通訊》雜志稱，英國科學家評估了國際空間站上3種細菌在微重力、模擬火星重力和地球重力三種條件下的生物采礦潛力，并測量了這些細菌的提取效率——從玄武巖（類似于月球和火星表面的大部分物質）浸出的14種不同稀土元素的含量。其中一種名為鞘氨醇單胞菌的微生物在三種重力條件下都能讓玄武巖浸出稀土元素，而且該細菌的浸出率在三種重力條件下都差不多，玄武巖中含量最豐富的稀土元素的浸出率最高。

此外，月球的其他礦產資源也極為豐富，地球上最常見的17種元素，在月球上比比皆是。以鐵為例，僅月面表層5厘米厚的砂土中就含有上億噸鐵，而整個月球表面平均有10米厚的砂土。月球表層的鐵不僅異常豐富，而且便于開采和冶煉。例如，月球上的鐵主要是氧化鐵，只要把氧和鐵分開就行；此外，科學家已研究出利用月球土壤和巖石制造水泥和玻璃的辦法。在月球表層，鋁的含量也十分豐富。

值得注意的是，在月球開采的礦產資源并不一定要全部運回地球。伴隨著人類走向太空，不可能所有建筑材料都要由地球提供。月球豐富的礦產儲備和低重力環境，讓它可以為建造月球基地乃至太空設施提供大量關鍵原料。▲

開采小行星是否可行?

相比于“月球開礦”，在距離人類更遠的小行星上進行資源采集聽上去似乎更不可行。但科學家們卻認為,從技術上講，這并非沒有可能。

根據NASA方面的統計，已經發現上萬顆近地小行星，在木星和火星軌道之間還有一個由數百萬大小不一的巖石組成的小行星帶。它們大都是在太陽系形成時留下的殘余，除了科研價值外，其中部分小行星還蘊含著豐富的資源，比如純度較高的鐵和鉗等金屬原料。

相比于在月球或火星上開礦，小行星上幾乎沒有重力，可以輕易運走大塊材料，可行性更高。因此“小行星開礦”也贏得了各國的高度關注。2015年11月，美國時任總統奧巴馬簽署《美國商業太空發射競爭法案》，其中允許具備必要技術登陸小行星的個人或企業占有行星以及其他太空資源。2016年，盧森堡政府成為第一個明確表現出對小行星礦業生意具有濃厚興趣的歐洲國家。

據介紹，“小行星開礦”的第一步是利用專業設備確認目標小行星的礦產種類和開采前景。美國私營企業“行星資源”公司正在借助衛星搜尋最適合開發的小行星。而NASA計戈明年啟動Psyche小行星探測任務。這顆編號“16 Psyche”的小行星可能是太陽系形成早期一顆未能成形的小型行星的裸露金屬核，直徑達140英里，主要由鐵、鐐和稀有金屬構成。之前曾有媒體估算，如果將這顆小行星上的所有金屬運回地球，其價值總額將是一個天文數字。

據稱，在技術方案選擇方面，采礦機器設備可采用太陽能供電，能減少從地球運往小行星所需燃料；在開采過程中，所有飛船和設備須緊緊固定在小行星上，以防因失重而飄走迷失于太空。

“行星資源”公司總裁兼首席工程師克里斯?列維奇表示，開采小行星并不神秘，“我們只是在重復歷史上已經做過的事情，就如同殖民者登上北美大陸，利用當地資源發展和壯大。”他表示，考慮到擺脫地球引力需要耗費大量燃料，“無論前往太陽系的任何地方，只要登上地球軌道，路程就走了一半。”因此盡力利用小行星上的資源是最為經濟可行的辦法。例如小行星上擁有豐富的水、鐵、鐐和鉆等資源。“使用3D打印等技術，可從小行星獲取材料，然后制造出各種東西。這樣就再也不用從地球用火箭運送工具、機械甚至駐地材料，從而進一步降低太空探索的成本。”但他同時承認，小行星開發還存在技術和法律問題，有待進一步解決。▲