造富机器:太空采矿有望成为未来能源主要来源

小行星上拥有的丰富的水和碳、硫、氮、磷等资源,能够为深空探测设施提供燃料和水,是深入探索太空的基石。除此之外,我们还可探寻大量的稀缺资源,包括铂族金属(铱、锇、钯、铂金、铑、钌)以及一些非金属如砷、硒、锗,珍贵资源近乎无限,利润相当可观。据估算,一颗直径约80m的普通小行星可能含有价值1000亿美元的金属矿产。开发小行星资源不但能有效解决矿产资源、能源储备问题,而且环保清洁,不污染环境,由于小行星上不存在常驻生命,自然也不会造成生态系统的破坏。在全球金属消费量日渐攀升、地球能源紧缺的今天,开发利用小行星资源是人类外空探索能力不断增强的必然结果,可以预见,大规模开发利用外空自然资源将成为21世纪人类拓展生存空间的有效手段。

如今以小行星探矿,勘探和采矿为明确目的而涌现出多家公司,但是,任何人创造可行的小行星开采业务的可能性是多少?什么时候可以成为我们经济的常规组成部分?

什么是小行星?

小行星是围绕太阳运行的小天体,它们是太阳系行星形成时的孑遗,直径从几米到几百千米不等。在太阳系诞生初期,一团又一团的气体、尘埃不断地聚合挤压,形成了今天太阳的雏形,而外围的物质则在毫无秩序的太空中不停的碰撞、凝聚、碰撞、又分离……这一状态持续了几百万年,最终也就造就了今日包括地球、月球和无数小行星在内的众多星体,而这些天体的物质组成都是类似的。

地球上的重金属大部分都集中在地心,在地球形成之初的熔融过程中密度大的铂系金属都沉到了地底深处。质量较大的小行星也会经历熔融过程,将重金属聚集在中心。之后小行星经过碰撞,碎裂成很多块,这样金属核心就裸露了出来。

太阳系中的小行星大多集中在火星轨道和木星轨道之间,这便是著名的“小行星带”,这里有上百万颗小行星,其中直径大于 1 千米的有 75 万颗,直径大于 100 千米的有 200 多颗。小行星之间的距离从数百到数千公里不等。

除了小行星带之外,还有 Atens、Amors 和 Apollos 这三个近地小行星聚集的区域。这些区域包括 9000 颗左右的小行星, 1000 颗直径超过 1 千米。其中,有 1500 颗近地小行星被列为采矿作业的首选目标。

按照构成,小行星可以分为 C 型、S 型和 M 型。C 型碳质小行星最为常见,为灰色,由碳化合物、岩石、20% 的水和一些金属组成。S 型硅质小行星为绿色或红色,主要由铁和硅酸镁组成,有少量纯镍和纯铁,以及一些铂族元素。M 型金属小行星外表为红色,主要由纯镍和纯铁构成,有少量铂族元素。

C 类——超过 75% 的已知小行星都属于这一类别,它们的成分构成极其类似于去掉了氢气、氦气和其他挥发气体的太阳,由于表面含碳较多,导致光谱反照率较低,只有 0.05 左右,多分布于小行星带的外围。因为太空中的水资源也大概率分布在 C 类小行星上,所以这类型小行星成为各公司的首选。

S 类——估计有约 17% 的小行星属于此类,它们的成分构成多为镍、铁和镁。与 C 类小行星不同的是它们的反照率比较高,在 0.15 到 0.25 之间,且多分布于小行星带内侧。

M 类——余下的小行星大多数属于这一类。这些小行星可能是过去体量较大的小行星残存的金属核。它们的反照率与 S 类小行星的类似,成分构成也是镍和铁。

小行星采矿的目的

门捷列夫于19世纪末编制的元素周期表全面罗列了存在于地球的各种原子,也就是可以利用的各种资源,包括各种金属、稀土、稀有气体……总计不下118种元素,并根据原子核中包含的质子数对他们进行了排列,由此可以测算出它们的物理和化学属性:硬度、耐高温性能、活性……不过,这张周期表并没有对它们的储量或它们的稀缺性作出任何描述。

随着人类的过度开发与利用,今天,那些面临匮乏的元素“亮起了黄灯”,其中既包括一些不为大众所知的元素(锑、钕、铟……),也有一些在人类社会几千年发挥着支柱作用的元素(磷、锌、锡 、铅、银、 金 、铜……),虽然任何一种元素都永远不会消失,但是这些自然资源的形成周期极其漫长,相对于人类历史而言,几乎是不可再生的,它们的开采也正在或即将变得困难和昂贵,并且仍旧远远不能同人类的开发的速度相比拟,人类随心所欲压榨地壳的日子不会再持续很久、地质极限无法逾越,对此,有人建议,从小行星上开采白金、钴和其他有价值的元素,并将其运回到地球以获取利润。

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从小行星取回巨石的机器人任务。资料来源:NASA

实际上,根据一些估计,在未来的50至60年内,我们的星球可能会耗尽现代工业和食品生产所需的关键要素。仅此一项就可以很好地激励人们尝试利用太空似乎源源不断的元素。

另外,将人类的资源基础扩展到地球以外还有很多好处。在地球上,采矿对自然环境造成了巨大损失。实际上,根据所使用的方法,它可能导致侵蚀,塌陷,栖息地破坏以及动植物生命的破坏。

还存在有毒径流的危险,以及对土壤,地下水和地表水的污染,这对人类以及野生生物和自然环境都是一种危险。至于冶炼,机械加工和制造,对环境造成的损害有据可查。

结合发电,这些工业过程是造成空气和水污染的主要因素。通过将这些负担转移到太空开采,人类可以极大地减少这种采矿对自然环境的影响。

方法

在开始进行小行星开采之前,必须进行“小行星勘探”。简而言之,首先需要对小行星的矿物和资源价值进行识别,分类和评估。

2012年,NASA委托了一个名为“机器人小行星勘探者(RAP)”的项目,旨在评估小行星采矿的可行性。他们确定了四类不同的小行星任务,这些任务可以使用常规技术(或正在开发的技术)来实现。

这些包括勘探,采矿/检索,加工和运输。探矿是合乎逻辑的第一步,它涉及研究和确定可提供良好经济回报的小行星。

有关勘探工作原理的摘要,请参阅国家太空协会(NSS)编制的《太空沉降路线图》(2018年第三版)。如第5部分:小行星采矿和轨道空间定居中所述

“通过望远镜观察,最初会将小行星识别为近地天体(NEO),威胁地球的NEO,主带小行星和其他轨道群。对具有商业意义的NEO小行星的首次机器人飞行任务将确认不同类型的小行星大小和组成,它们是岩石的,金属的或碳质的,并确定每一种小行星上实际的矿物含量。”

“这些探测器还将估计小行星的结构,它们是明显的散落碎片的“瓦砾堆”,或者是由固体,未破裂的岩石和金属制成。一些任务可能会带回小行星材料的实际样本进行分析。所有这些信息将帮助政府计划针对威胁NEO的行星防御,并将帮助矿业公司确定重点关注的小行星。”

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多任务太空探索飞行器(MMSEV)作为流动站或太空飞行器。资料来源:NASA

下一步,实际上是开采小行星,将需要在低地球轨道(LEO)以及其他地区建立大量基础设施以支持运营。

首先,将需要建立一个采矿机器人和运输车队,能够从近地物体(NEO)中提取矿石和资源,并将其拖回地球。

做到这一点的最经济有效的方法可能是在太空中建造它们,这可能发生在装配平台上,在装配平台上,自动机器人可以建造和维修采矿和运输船只。

还需要一系列的轨道平台,船只可以在该平台上停泊,卸载矿石和其他资源,并进行加油。一旦采矿业务扩展到NEO之外,这些平台也将需要进一步构建。

最终,可能需要在月球,火星,小行星带或任何进行采矿作业的轨道上建立此类平台。在采矿的任何地方建造铸造厂也是明智的,这样可以在太空中加工矿物。

该基础设施的建设和维护将涉及一个称为原地资源利用(ISRU)的过程。这涉及使用本地收集的材料来制造必需品,例如推进剂,用于轨道平台的组件,氧气,甚至建造航天器。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

这不仅可以简化采矿作业,而且可以大大降低成本。

一旦勘查完成并创建了基础架构,就可以开始采矿过程。可以使用几种可能的技术,从最基础的到高度未来的技术。

这些措施包括露天采矿,其中航天器可以使用铲,网和螺旋钻除去矿物。竖井开采是另一种可能,装备有钻头的航天器钻入小行星以提取其中的物质。

另一个想法是将小行星捕获在网中,然后将它们拖到更接近地球的地方。进入月球或低地球轨道(LEO)后,它们可以由较小的提取航天器进行开采,然后将其运输到轨道平台。

蒸汽推进是为小行星开采提出的另一种方法。在这种情况下,机器人太空船将在水冰中收集氧气以制造推进剂,从而赋予其一定程度的自给自足和理论上无限期开采的能力。

向小行星加热并在矿石或冰融化时收集它们是另一种可能的方法,化学分解也是如此。在技​​术树的高端,有使用自我复制机器人来收获资源的过程。

这个概念最早是在题为“1980年美国航空航天局的研究探索先进的自动化太空任务,” 这表明在月球上的自动化工厂的创建。该工厂将使用本地资源来构建自身的副本,而更复杂的组件将从地球上导入。

在许多年的时间里,这些工厂将能够成倍地增长,并且能够提取和加工矿物,三价氦和其他资源。同样的概念也可以应用于小行星开采。

正如随后的研究表明的那样,机器人技术,小型化和纳米技术领域的发展有一天可能会实现完全自给自足的采矿过程。根据2012年2016年进行的研究,仅用几十年就可以建立使用自我复制机器人的封闭供应链。

太阳系机构

如前所述,仅内部太阳系中就有超过1.5亿颗大小合适的小行星。然而,天文学家已经在近地空间和主小行星带中发现了几个可以提供丰富资源的地方。

对于初学者来说,小行星16  Psyche是存在于主小行星带内的金属物体。考虑到它的大小和组成-直径约140英里(225公里) -有人认为该天体是失去了外层的原行星的残余核心。

根据雷达观测,小行星可能主要由铁和镍等金属组成。使用哈勃太空望远镜进行的最新观测揭示了与纯铁一致的表面光谱。 

但是,据估计,该物体还可能含有大量的贵金属(如金和铂)。实际上,金融分析师估计这颗小行星的净资产为700亿美元(即700后面是18个零!)。相比之下,2019年整个全球经济估计为142万亿美元

NASA目前正在计划执行一项任务(也称为Psyche),使用定于2022年发射的轨道飞行器探索这颗小行星。该轨道飞行器将于2026年到达Psyche附近,并将用成像仪,磁力计和伽马射线对其进行检查光谱仪以了解其组成和历史的更多信息。

在不远的将来,还将有20,000多颗近地小行星和100颗短周期彗星被收获。例如,有一个Ryugu,一种近地小行星,目前正由日本的Hayabusa2航天器进行调查

该物体绕地球运行的平均距离为1.1896 AU(略大于地球与太阳之间的距离)。该矿体估计包含830亿美元的镍,铁,钴,水,氮,氢和氨。 

还有美国国家航空航天局(NASA)的OSIRIS-REx航天器正在研究的NEA Bennu(此任务包括将样品送回地球)。Bennu在地球上的平均距离为1.1264 AU,可能包含约7亿美元的铁,氢,氨和氮。

然后是Didymos,这是一个亚公里级同步二元小行星,被认为是潜在危险的小行星(PHA)-即,它有可能在某个时刻与地球相撞。它绕地球的平均距离为1.6446 AU,其中镍,铁和钴的含量估计约为620亿美元。

排在榜首的是NEA Anteros,其中可能包含约5.57万亿美元的硅酸镁,铝和硅酸铁。这颗小行星的 直径介于 1.25至1.4英里(2  2.4公里)之间,并以1.4305 AU的平均距离绕地球旋转。

还有21个Lutetia,这是一个异常小行星,尺寸为120×100公里(75×62英里),并以2.435 AU的平均距离绕地球运行(是地球与太阳之间距离的两倍多)。它是第一个由航天器成像的M型小行星。

该成像是由Rosetta探测器完成的,该探测器于2010年7月10日访问了小行星。根据获得的Rosetta读数,该小行星被认为是由富含金属的岩石组成的。

雷达通过波多黎各的阿雷西博天文台对另一颗M型小行星216克娄巴特拉进行了成像。这个呈人字形的小行星有两个“月球”,长135×58×50英里(217×94×81 km),绕地球的平均距离为2.794 AU。

除主带外,还有两个绕木星运行的小行星家族-希腊人和特洛伊人。2006年,凯克天文台宣布617颗Patroclus和其他Trojan小行星可能是绝大部分由水冰组成的灭绝彗星

此外,木星家族的彗星,甚至是灭绝的彗星近地小行星也可以提供水。

太空探索倡导者

希望看到小行星开采成为现实的人们不乏是未来主义者和太空探索倡导者,以及工业家和风险资本家。

X奖竞赛的创始人彼得·迪亚曼迪斯Peter Diamandis)提出了最早记载小行星采矿倡导的例子之一,该竞赛提供了鼓励技术发展的激励措施。

在2008年,他预测小行星采矿将是未来之路,这一主张在他2015年出版的How to Go Big, Create Wealth and Impact the World.一书中得到了扩展。

另一位拥护者是总部位于多伦多的Euro Sun Mining公司首席执行官Scott Moore。最近,对采矿业的未来发表了以下看法:

““钛金矿”现在控制着世界上数百个产量最高的矿产,但是与太空领域相比微不足道,它们每年向市场带来的4-5百万盎司黄金。”

菲尔·梅茨格(Phil Metzger)博士目前是中央佛罗里达大学的行星科学家,他在NASA工作了30年。在此期间,他与他人共同创建了一个实验室,以开发用于太空采矿和行星际生活的技术,即Swamp Works。正如他所说

“太阳能系统所能支持的产业比地球上的产业大十亿倍。当您进入一个更大的文明规模,超出一个星球可以支持的规模时,文明可以做的事情对我们来说是不可理解的……我们将能够同时在全世界促进健康的社会我们将减轻地球上的环境负担。”

亚马逊的创始人杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)和太空发射服务提供商蓝色起源Blue Origin)也曾表示,为了生存,人类应该将地球上所有的重工业转移到太空:

“这里的能量是有限的。在短短的数百年内,您将不得不用太阳能电池覆盖地球的所有陆地。那么您将要做什么?嗯,我想您要做的就是将要在太空中迁移……我们所有的重工业将被移离行星,地球将被划分为住宅和轻工业。”

还有B612基金会等组织,该基金会是总部位于加利福尼亚的非营利组织,由科学家,前宇航员以及来自高级研究所(IAS),西南研究所(SwRI),斯坦福大学,美国国家航空航天局(NASA)和航空航天业。

该基金会成立于2002年推进行星科学和目的行星防御针对小行星近地天体(近地物体)等。他们提出的小型望远镜将依靠合成跟踪研究潜在危险的小行星,然后将其添加到其小行星决策分析和制图(ADAM)项目的目录中。

除了推进行星保护科学之外,这种方法还可以帮助在不久的将来推进小行星的勘探。

支持立法

2015年,美国总统巴拉克·奥巴马(Barack Obama)签署了《美国商业空间发射竞争力法》(CSLCA,或HR 2262),成为法律。该法案的明确目的是:

“通过鼓励私营部门投资并创造更稳定和可预测的监管条件,为发展中的商业航天业营造有利​​于增长的环境。”

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艺术家对宇航员在月球表面工作的印象。图片来源:NASA

从根本上说,该法案建立了一个先例,此后允许美国公司和私人公民拥有和出售他们从小行星和其他天文物体(如月球,火星等)中提取的资源。

2018年5月24日,特朗普政府签署了Space Directive-2太空指令2)和行政命令,旨在简化监管框架以“促进经济增长;最大程度地减少纳税人,投资者和私营企业的不确定性……并鼓励美国在太空领域的商业领导地位。”

紧随其后的是另一项行政命令,题为“鼓励国际支持对空间资源的回收和使用的行政命令”,该命令于2020年4月6日获得通过。其最显着的条款包括:

“美国人应有权按照适用法律从事商业探索,回收和利用外层空间资源的权利。外层空间是人类活动的法律和物理上独特的领域,美国不认为这是人类活动的一部分。因此,根据适用法律,鼓励国际支持公共和私人对外层空间资源的回收和利用是美国的政策。”

谁是挑战者?

也不乏致力于使小行星开采成为地球经济一部分的公司和企业。多数是在过去几年中由拥护者和工业家组成的联合会,其中许多人已经投资于商业航空领域。 

最早出现的行星之一行星资源,以前称为Arkyd宇航公司。该公司于2009年1月由未来主义者Peter Diamandis,企业家兼航空航天工程师Eric Anderson和前NASA工程师Chris Lewicki创立。

2012年,该公司更名为Planetary Resources,并宣布拥有新的支持者,包括Google联合创始人拉里·佩奇(Larry Page)和谢尔盖·布林(Sergey Brin),电影制片人詹姆斯·卡梅隆,前微软查尔斯·西蒙尼和小罗斯·佩罗(前总统候选人之子)。 )。

到2016年,该公司已筹集了5000万美元的种子资金,其中2100万美元来自谷歌的埃里克·施密特(Eric Sc​​hmidt)和詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)等知名投资者。

该公司发射了两颗测试卫星进入轨道。第一个是技术演示机Arkyd 3 ReflightA3R),该机于2015年4月发送到国际空间站,并于2015年7月16日从那里进行了部署。2018年第二个演示机卫星Arkyd 6于1月11日成功发射进入了轨道。

2018年10月,由于财务问题,公司资产被区块链软件技术公司ConsenSys收购。到2020年5月/ 2020年6月,ConsenSys将Planetary Resources的所有知识产权都设为公共领域,并取消了其所有剩余硬件资产。

深空工业:

Deep Space Industries(DSI)由一群企业家和科学家于2013年创立,其中包括企业家和投资者Rick N. Tumlinson和David Gump。前NASA工程师John C. Mankins和概念艺术家兼建筑师Bryan Versteeg参加了会议。

在2013年至2018年期间,该公司筹集了350万美元,并获得了一些政府合同的补充。但是,他们仍然设法研究了一系列削减成本的空间技术,并为航天器舰队开发了概念框架。

2019年1月1日,该公司被一家跨国航空航天公司Bradford Space,Inc.收购,该公司致力于深空探索,水基推进,空间站设施和姿态控制系统。

Trans Astronautica公司:

这家总部位于休斯敦的公司也称为TransAstra,成立于2015年,其宗旨是“建造“跨洲太空铁路”,向人类开放太阳系。 ”

在2019年4月,该公司从美国国家航空航天局(NASA)的创新先进概念(NIAC)计划中获得了其Mini Bee,概念的第三阶段开发资金。这个小型的机器人采矿机实质上是演示技术,用于最终创建称为“小行星提供的原位补给”(Apis)的一系列飞行系统。

这些范围从实验性的Mini Bee,(重550磅/ 250公斤)到较大Bee,-能够捕获直径分别为33和130英尺(10和40 m)的小行星。

Mini Bee,利用了一系列创新技术,例如光学采矿和资源收集方法(又名激光采矿),太阳反射器以及与针对美国宇航局现已取消的小行星重定向任务(ARM)提出的方案类似的小行星遏制系统。

与其他Arpis概念一样,Mini Bee设计要求使用水基Omnivore太阳能热推进器来提供推进力。与WINE发动机一样,这项技术也依赖于从小行星中收集的水冰和其他挥发性化合物作为推进剂。

据估计,到2050年,地球人口将达到97亿,到2100年将达到近110亿的峰值。这将发生在气候变化将导致我们赖以生存,供养,居住等环境不断恶化。

因此,虽然寻找新资源对于我们的生存可能是必要的,但它也可以简单地将资源依赖的负担转移到更大的环境中。

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在月球环形山附近探索的宇航员。资料来源:NASA

我们可以/应该这样做吗?

除了列出需要采取的必要步骤外,NASA的RAP报告还提供了一些有关某些类型采矿可行性的有趣结论。关于整个企业的经济可行性,作者得出以下结论

“我们无法确定完全依靠将小行星资源送回低地轨道或地球表面的经济可行性方案。为了在经济上可行,小行星采矿将主要依赖于空间的客户,他们是空间工业经济和基础设施的一部分。”

简而言之,直到LEO和深空空间能够被商业化的那天,将目光投向世界之外,寻找可以在地球便宜地获取到的重要资源是没有意义的。但是,该报告还规定,从长远来看,从小行星收获矿物具有良好的经济意义。

例如,空间基础设施的建立不仅会受益于铂,铝,铁,镍和锰等元素的开采,而且太空栖息地和设施从当地小行星而不是地球获取水的成本也会降低:

“从近地小行星向EML1的过渡基地回水的成本的一阶计算得出的成本为每公斤5205美元,相比之下,使用Falcon Heavy从地球向那里输水的成本为12295美元。一旦建立小行星采矿企业的所有初始成本都已被扣除,而回水的成本可以仅基于小行星采矿的运营成本,则该成本可能降至每公斤1,733美元,存在一些可以降低成本的技术这些成本是原来的两倍或更多。有几种技术可以将这些成本降低2倍或更多”

这些建议解决了另一个重要问题,即所有这些资源的涌入将对地球经济产生影响。通过挖掘远远超过本国现有资源的资源,人类将能够超越其当前的经济模式。

只要人类从事贸易和业务,稀缺就一直是至关重要的因素。通过拥有丰富的必要资源,人类可以有效地成为后稀有物种。同时,如果供应突然超过需求,那么这些资源的价值将大大下降。 

因此,小行星开采(而不是地球经济的救星)将更有可能成为人类扩展到太空的手段之一。同时,我们仍然需要针对人口过剩,饥饿,资源枯竭和气候变化等问题提出解决方案,这些解决方案都强调可持续性和绿色技术。 

但是,在需求增长,气候变化带来的危险以及可能为了人类生存而将目光投向太空之外,小行星采矿可能是不可避免的。换句话说,这不是“我们可以”还是“我们应该”的问题,而是“我们什么时候?”的问题。 

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