科学好故事 | 月球商业采矿新竞赛

本文摘要：作者：Joe Pappalardo Mechanics 翻译成：小叶 早在1969 年,人类就早已通过美国“阿波罗计划”首次顺利登岸月球,并在接下来 的 3 年里,相继将 12 位宇航员顺利送来上月球。这段密集 的探月浪潮源自年至1976年 的美苏空间竞赛,两国先后升空了上百个月球探测器。 然而“阿波罗计划”完结后,搜月竞赛热度日渐冻,人类探寻月球 的脚步也渐渐减慢,在1976年至1994年间,全球只有日本展开过1次搜月活动。

作者：Joe Pappalardo　　Mechanics　　翻译成：小叶　　早在1969 年,人类就早已通过美国“阿波罗计划”首次顺利登岸月球,并在接下来 的 3 年里,相继将 12 位宇航员顺利送来上月球。这段密集 的探月浪潮源自年至1976年 的美苏空间竞赛,两国先后升空了上百个月球探测器。

然而“阿波罗计划”完结后,搜月竞赛热度日渐冻,人类探寻月球 的脚步也渐渐减慢,在1976年至1994年间,全球只有日本展开过1次搜月活动。2003年9月,欧空局第一个飞向月球 的探测器SMART-1卫星升空升空,并于2006年9月3日顺利碰撞月球表面。

　　新一轮搜月热情在上世纪90年代被很快熄灭。美国于1994年1月21日和1998年1月6日分别升空 的“克莱门汀”号、“月球勘探者”号探测器,找到月球两极不存在大量水冰,随后更加多 的国家重新加入了探月大军。

2007年至2008年,人类搜月 的脚步减缓,还包括日本 的第二个月球飞行器“月亮女神”、中国第一个月球飞行器嫦娥一号顺利转入月球轨道,印度 的月船1号也紧随其后。　　目前美国早已顺利登月6次,并计划在2024年再度载人登月。而我国虽跟上较早,但搜月进程也在朝著跟上。

在2004年月积极开展月球观测工程之后,还包括嫦娥一号至四号探测器 的“无人月球观测”阶段进展成功, “载人登月”阶段 的工作至此托上日程。日前俄通社还曾报导,俄罗斯航天局局长回应,俄罗斯很有可能与中国一起,在月球上创建牵头研究基地。　　然而虽然人类在50年前即已登岸月球,但时至今日,依旧还并未确实搞清楚研发这一一家人星球 的最佳方案。

今年5月初,美国特朗普政府容许本国商业公司在月球表面铁矿,或许为月球表面商业研发关上了一扇大门。而这一行径到底是 人类月球研发 的新起点,还是 关上潘多拉魔盒 的第一步？　　美国保守 的商业铁矿计划　　许多月球商业化研发支持者都不曾想起能等到这一时刻 的来临,美国政府对月球商业研发产生浓厚兴趣,从这个角度来看,未来月球商业前景十分悲观。

　　特朗普政府这一近期许可令其也产生了诸多争议,1967年世界大战时期,美签订了《外层空间公约》,禁令任何国家对地外天体享有主权,但该公约中未禁令对地外天体商业化研发。　　2015年,《外层空间公约》遭到了“压制”,当时奥巴马政府签订了《美国商业太空升空竞争力法案》,使美国人享有和出售从“地外星球商品”沦为合法不道德。

　　这项近期政府许可令其明晰地指出,美国现任政府反对月球商业研发。但要构建月球商业铁矿,必须 的不仅是 一项许可令其,自上世纪60年代首次明确提出月球铁矿设想以来,构建该目标 的技术和经济挑战已被证明是 十分艰难 的。　　数十年以来,美国宇航局 的月球探寻计划仅有是 原地转圈,未来由实业家、工程师和科学家构成 的国际团队,将不畏艰险,能将月球作为人类工业前哨 的太空基地,现在政府和商业公司实验室已规划设计了如何构建月球矿业,紧凑型发电、太空机器人和风化层铁矿等关键环节,皆已获得实质性进展,该计划不仅有效地,而且具备可行性。

　　“新的千年,原有战役！”维尔纳·冯·布劳恩　　月球矿业 的故事实际开始于两位火箭科学先驱之间 的观点分歧,其中一位科学先驱是 维尔纳·冯·布劳恩,这位德裔美国火箭科学家先驱曾负责管理美国宇航局土星5号火箭研发设计,对于布劳恩和他 的支持者而言,行星是 太阳系 的“王冠宝石”,通过探寻行星将取得很多科学声望。　　另一位科学先驱是 美国物理学家杰拉德·奥尼尔,在他1976年出版发行 的《低边界》一书中,他主张人类基础设施应该靠近行星,瓦解地球引力所产生 的能量消耗 的市场需求——这是 太空飞行中最艰难 的环节。轨道殖民基地是 奥尼尔 的设想,但他主张利用月球资源,修建体型可观 的转动空间站。

　　蓝色起源公司创始人杰夫·贝佐斯反感反对这一点子,甚至在2019年5月“蓝色月球登陆器”升空过程中还提倡构建奥尼尔 的轨道基地。　　美国佛罗里达大学资深行星物理学家菲利普·梅泽尔称之为,据我所知,我们未曾做到过科学研究或者调查,但我指出美国宇航局更加偏向于布劳恩 的观点。据报,他在美国宇航局工作了30年。

　　而某种程度是 太空探寻巨头 的马斯克尽管未曾否认过这一点,但他 的终极目标是 在火星表面创建殖民基地,渐渐构建载人火星任务 的梦想,而其他任何事情,特别是在是 探寻月球,未引发他充足大 的兴趣。　　目前美国宇航局期望能将第一批人类送来上火星,他们对月球探寻研发 的兴趣某种程度并不大。　　而中国则正在有条不紊 的实践中搜月计划,载人登月、研发月球也在计划之内。

据《科技日报》报导,去年11月1日中国航天科技集团公司科技委主任包在乡里曾透漏,中国将力争在本世纪中叶竣工地月空间经济区。嫦娥二号加装发动机部件过程 图片月球表面环形山 图片观测找到,月球南北极不存在水冰　　十几年前,月坑观测和遥测探测器（LCROSS）碰撞在正处于永久阴影区 的月球陨坑,之后另一颗探测器对碰撞喷发物物质展开采样分析,找到喷发物物质中5%是 水,因此推断月球永久阴影区陨坑中不存在冰,但研究人员仍有很多问题。月球与行星研究所科学家朱莉·斯托普（Julie Stopar）说道：“现在我们正处于一个探寻时代,从找到阶段过渡性至定性和检验阶段。”　　美国宇航局资助了一批小型太空任务,与一些新的太空公司创建合作关系,计划升空一些探测器探寻月球。

商业月球有效载荷服务（CLPS）首个机器人任务将于明年升空,之后还不会有更加多 的任务。着陆器将配有铲子和分光仪收集月球化学成分,像“月球漫步者器”探测器将配有传感器测量表层土成分,还包括水含量。

　　其中最重要 的太空任务是 2022年升空 的“蝰蛇号”探测器,它将调查分析月球极地挥发性物质,该探测器还配有了钻头等多个设备,这部汽车大小 的探测器将绘制首张月球水资源地图。月球岩石 图片　　月球矿业并不几乎像地球陆地矿业,部分月球矿业支持者现设计一种新方法从冰冷月球表层土中冻结冰层,该方法是 “热采矿法”。　　热采矿法是 将充足低温度 的热量必要产生至月球表面,将冰转化成为水蒸汽,本质上是 通过升华过程跨过液相（liquid phase）,之后蒸汽不会被搜集在一个较小 的遮篷中,新的冷藏然后载运到一个电解车站,在那里冰会被分解成氢和氧。

　　近期研究指出该方法可以从月球物质中顺利萃取燃料成分,报告称之为,创意概念研究中,必要冷却不会使冰升华,证明热采矿法是 切实可行 的。　　同时,该研究报告还评估了在月球修建一处燃料基地 的最后规模,推进剂生产设备重量为26多吨,每年可生产1100吨推进剂燃料,可研发部署在月球表面,成本约 25亿美元。可行性商业案例分析表明,如果推进剂生产运行时间最少为10年,那么依据商业和政府对推进剂 的市场需求（还包括协助地球同步卫星抵达最后轨道 的最低阶段）,可实现生产能力于是以报酬。

　　必要冷却使冰升华 的效果已在不含冰风化层样本中获得证实　　研究人员警告称之为,该操作过程必需对样本冷却至很高 的温度,从而保证在有效地工业水平将冰转化成为蒸汽。可行性估计表明,工业规模热矿业处置必须2.8兆瓦电力,问题 的关键在于如何在月球陨坑中生产如此多 的电能。　　一种方案是 在陨坑深处修建一个小型核反应堆,目前美国宇航局致力于该技术 的研发,并获得了一些技术突破。2018年,美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室、内华达国家安全性车站和美国宇航局合作,用于斯特灵技术千瓦反应堆（KRUSTY）构建28小时仅有功率电能供应。

　　美国宇航局讨厌这种核裂变反应堆,因为它可以相连至斯特林发动机,这是 一个堵塞循环、能量可再生设备,并且使用寿命宽,维护费用较低,是 一种能有效地为外太空热矿业作业获取动力 的能源生产方案。　　然而,斯特灵技术千瓦反应堆用于 的是 Y-12低浓缩铀（HEU）作为燃料来源,HEU反应堆更加重,像这样 的紧凑型动力源在太空环境中具备一定优势,但是 该设施很更容易切换为改进型核设备,其用于过程必需充分考虑后勤保障和严苛 的安全性监督。　　由于这些原因,过去几年时间里科学家研制一批小型、商用较低浓缩铀（LEU）反应堆,它们被称作微型模块反应堆,全称MMR。

目前,研制商用较低浓缩铀 的公司正在大力符合月球矿业 的市场需求,部分公司已将他们 的近期技术应用于太空领域。　　超强安全性核能公司（UltraSafe Nuclear Corp）就是 其中一家公司,该公司销售LEU核裂变反应堆,并生产一种“Pylon”反应堆。公司研究人员认为,在永久阴影陨坑中勘探月球资源,并利用热能处置当地资源非常适合核能开发利用,然而尽管反应堆获取电能 的前景十分好,具备很辽阔 的研发潜力,但出于技术发展和政策容许,核能研发常常被回避在考虑到范围之内。

目前,涉及研究机构回应,太空核能研发技术和政策 的瓶颈容许可以突破。　　如果未来美国宇航局计划在月球陨坑深处展开铁矿,超强安全性核能公司十分具体地回应,该公司 的产品合乎该项太空任务 的拒绝规格,“Pylon”反应堆就可以,未来可通过一个大型商业月球有效载荷服务着陆器将该反应堆载运到月球表面。　　核能研发　　在过去半个世纪里,人们仍然在考虑到如果研发月球资源,核能热矿业并不是 唯一 的自由选择,欧洲航天局正在研制一种熔盐电解系统,它被称作“首个必要将液体月球表层土仿真物加工成粉末” 的例子,该仿真物完全可以萃取所有氧气,将月球风化层与融化 的氯化钙盐放到一个金属篮子中作为电解液,之后再行冷却。

　　6、欧洲航天局正在研制一种熔盐电解系统,它被称作“首个必要将液体月球表层土仿真物加工成粉末” 的例子,该仿真物完全可以萃取所有氧气,将月球风化层与融化 的氯化钙盐放到一个金属篮子中作为电解液,之后再行冷却。　　该系统仅有须要将风化层物质冷却至950摄氏度,而不是 融化表层土。

依据欧洲航天局 的观点,电流可使氧气离开了表层,穿越盐层,在阳极区域搜集一起,作为一个额外 的益处,该处理过程可以从月球风化层萃取能用 的金属合金。　　英国格拉斯哥大学贝斯·洛马克斯（Beth Lomax）称之为,需要从月球资源中萃取氧气,将对未来人类移居月球十分简单,无论是 供给人类排便,还是 作为本土火箭燃料生产。据报,洛马克斯 的技术研发取得欧洲航天局 的大力支持。　　另一个观点是 由索尔斯明确提出 的,他糅合了古代镜面反射原理,希腊数学家阿基米德利用镜面反射阳光熄灭入侵者 的木船。

依据完全相同原理,他计划在月球陨坑边缘设置定日镜（可移动 的镜面）,可以将阳光必要太阳光在冰冷 的风化层。索尔斯指出,在陨坑边缘间隔120度分别摆放3个定日镜,可以保证平稳 的阳光照射陨坑底部 的矿井,同时2个定日镜可将阳光太阳光在蒸汽捕捉遮篷和燃料加工车站。　　第三个观点几乎不同于热采矿法,梅泽尔基于美国宇航局创意先进设备概念基金资助下研究浅层陨坑中所含细粒冰 的迹象,他说道：“如果是 这样 的话,那么我指出最简单 的萃取方法就是 展开颗粒分类。”　　浅层陨坑产冰量较小,有可能仅有2%,相比之下,深层陨坑产冰量较高,约5%,但是 深层陨坑收集作业带给诸多挑战,特别是在是 高等级供电市场需求,对浅层陨坑展开更加非常简单 的“挖出-检验”系统可使月球首个采冰矿井开始运转。

　　在科幻电影中月球矿业或许是 不有可能已完成 的任务,但目前基于成熟期 的技术和方案,科学家们已设想了如何从月球上收集宝贵资源。在国家政府和航天机构 的反对下,一些国家 的月球矿工们已跃跃欲试了。如果各国政府增大投资,人类就有期望启动月球采矿业,越早开始,就能越早地提升人类探寻太空 的能力,减缓人类对太空 的理解。

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