炙手可熱的月球商業(yè)采礦計劃真的靠譜嗎？

北京時間 6 月 10 日消息，據(jù)國外媒體報道，人類在 50 年前登陸月球，但從那時起，沒人能真正搞清楚如何最佳開發(fā)我們的鄰居星球，5 月初，美國特朗普政府允許美國商業(yè)公司在月球表面開采，最新許可令產(chǎn)生諸多爭議，1967 年冷戰(zhàn)時期，美國簽署了，禁止任何國家對地外天體擁有主權(quán)，但該公約中并未禁止對地外天體商業(yè)化開發(fā)。

2015 年，遭受了 “打擊”，當(dāng)時美國奧巴馬政府簽署了，使美國人擁有和出售從 “地外星球商品”成為合法行為。

這項最新政府許可令清晰地表明，美國現(xiàn)任政府支持月球商業(yè)開發(fā)。但要實現(xiàn)月球商業(yè)開采，需要的不僅是一項許可令，自上世紀(jì) 60 年代首次提出月球開采構(gòu)想以來，實現(xiàn)該目標(biāo)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)已被證明是非常艱巨的。

數(shù)十年以來，美國宇航局的月球探索計劃僅是原地轉(zhuǎn)圈，未來由實業(yè)家、工程師和科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊，將可能使將月球作為人類工業(yè)前哨的太空基地，現(xiàn)在政府和商業(yè)公司實驗室已規(guī)劃設(shè)計了如何實現(xiàn)月球采礦，緊湊型發(fā)電、太空機(jī)器人和風(fēng)化層開采等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并稱已取得實質(zhì)性進(jìn)展

月球采礦的故事實際開始于兩位火箭科學(xué)先驅(qū)之間的觀點分歧，其中一位科學(xué)先驅(qū)是維爾納 · 馮 · 布勞恩（Wernher von Braun），這位德裔美國火箭科學(xué)家先驅(qū)曾負(fù)責(zé)美國宇航局土星 5 號火箭研發(fā)設(shè)計，對于布勞恩和他的支持者而言，行星是太陽系的 “王冠寶石”，通過探索行星將獲得很多科學(xué)聲望。

另一位科學(xué)先驅(qū)是美國物理學(xué)家杰拉德 · 奧尼爾（Gerard K。O‘Neill），在他 1976 年出版的一書中，他主張人類基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離行星，脫離地球引力所產(chǎn)生的能量消耗的需求——這是太空飛行中最困難的環(huán)節(jié)。軌道殖民基地是奧尼爾的構(gòu)想，但他主張利用月球資源，建造體型龐大的旋轉(zhuǎn)空間站。

2、月球采礦的故事實際開始于兩位火箭科學(xué)先驅(qū)之間的觀點分歧，其中一位科學(xué)先驅(qū)是維爾納__馮__布勞恩（Wernher von Braun），這位德裔美國火箭科學(xué)家先驅(qū)曾負(fù)責(zé)美國宇航局土星 5 號火箭研發(fā)設(shè)計。

藍(lán)色起源公司創(chuàng)始人杰夫 · 貝佐斯（Jeff Bezos）強(qiáng)烈支持這一想法，甚至在 2019 年 5 月 “藍(lán)色月球登陸器”發(fā)射過程中還倡導(dǎo)實現(xiàn)奧尼爾的軌道基地。而 SpaceX 馬斯克的終極目標(biāo)是在火星表面建立殖民基地，逐漸實現(xiàn)載人火星任務(wù)的夢想，而其他任何事情，尤其是探索月球，并非引起他足夠大的興趣。

目前美國宇航局有探索火星的愿景，并希望將第一批人類送上火星，對月球探索開發(fā)的興趣并不大。隨著美國宇航局加大太陽系的探索力度，關(guān)于月球探索的觀點分歧將逐漸平息，月球采礦支持者最擔(dān)心的是上世紀(jì) 70 年代登月計劃重演，他們認(rèn)為：如果我們通過外星球工業(yè)支持地球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，那么我們就可以創(chuàng)造一個太空經(jīng)濟(jì)環(huán)境，使未來火星任務(wù)的成本大幅降低，變得切實可行。同時，如果太空技術(shù)發(fā)展太快，跳過地月太空工業(yè)建設(shè)，那么未來的火星任務(wù)也將基礎(chǔ)不牢，以另一個阿波羅時代的方式告終。

即使月球采礦支持者希望未來人類采集月球資源，但迄今科學(xué)界仍未對如何開采月球資源達(dá)成一致意見。甚至最基本的問題——什么物質(zhì)應(yīng)當(dāng)被提取和銷售，也隨著時間的推移而改變。無可否認(rèn)，月球上有許多具有吸引力的資源，其中包括：建筑金屬、制作太陽能電池板的硅、以及用于聚變反應(yīng)的氦 - 3。幾年前部分人曾提出開采月球常見、地球非常稀有的資源，之后將它們帶回地球高價銷售。

隨著時間推移，月球資源利用問題發(fā)生了變化：如果通過月球資源直接獲利，而不是重點關(guān)注月球資源市場，將會怎樣？該開采模式下選擇的最佳月球資源是氧氣。按照質(zhì)量進(jìn)行計算，月球含氧量為 42%，而太空飛行最大費(fèi)用就是發(fā)射時的氧燃料。

該觀點是采集氧氣作為太空燃料，并用于生命維持系統(tǒng)，但仍需從地球運(yùn)輸大量氫氣。美國宇航局正在探討該方案的可行性，事實上這些資源可在月球任何區(qū)域進(jìn)行采集，方法是剝離含有氧的月球表層土，如果要采集月球上的氫，就意味著需要在月球隕坑中搜尋潛在的月球冰。

冰是后阿波羅時代最重要的太空資源，近些年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)月球潛在著大量冰物質(zhì)，人們可將水分解成氫和氧，這是已知最有效的化學(xué)推進(jìn)劑，也可用于制造火箭燃料。

一種方案是在隕坑深處建造一個小型核反應(yīng)堆，并取得了一些技術(shù)突破。

這一切都?xì)w結(jié)到如何采集太空冰，月球是地球最親密的鄰居，是地球的衛(wèi)星，從 1994 年發(fā)射 “克萊門汀號”環(huán)月軌道探測器至近年發(fā)射的月球勘測軌道飛行器，現(xiàn)已有多顆遙感宇宙飛船環(huán)月飛行，并且在深不見底的月球隕坑中發(fā)現(xiàn)大量永久冰。

十幾年前，月坑觀測和遙感探測器（LCROSS）撞擊在處于永久陰影區(qū)的月球隕坑，之后另一顆探測器對撞擊濺射物質(zhì)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)濺射物質(zhì)中 5% 是水，因此推測月球永久陰影區(qū)隕坑中存在冰，但研究人員仍有很多問題。

美國宇航局資助了一批小型太空任務(wù)，與一些新太空公司建立合作關(guān)系，計劃發(fā)射一些探測器探索月球。商業(yè)月球有效載荷服務(wù)（CLPS）首個機(jī)器人任務(wù)將于明年發(fā)射，之后還會有更多的任務(wù)。著陸器將配備鏟子和分光儀采集月球化學(xué)成分，像 “月球漫步者器”探測器將配備傳感器測量表層土成分，包括水含量。

其中最重要的太空任務(wù)是 2022 年發(fā)射的 “蝰蛇號”探測器，它將調(diào)查分析月球極地?fù)]發(fā)性物質(zhì)，該探測器還配備了鉆頭等多個設(shè)備，這部汽車大小的探測器將繪制首張月球水資源地圖。

蝰蛇號將提供關(guān)于月球水冰分布、豐富程度、形狀和表面環(huán)境條件的第一手資料，其勘測地點位于‘阿爾特米斯’號（美國宇航局載人航天任務(wù)）宇航員著陸地點或者類似位置，該勘測任務(wù)將清晰呈現(xiàn)月球南極狀況，證實月球南極是否是人類可以登陸和生活的區(qū)域。

這些太空任務(wù)獲得的信息有助于實現(xiàn)建造月球人類基地，而另一些信息對于采集月球礦資源非常重要。但是仍有一些懸而未決的問題，例如：小行星何時、如何碰撞月球，將水資源帶到月球，要搞清月球歷史問題，勘測月球隕坑內(nèi)部將獲得重要線索。

雖然一些月球勘測數(shù)據(jù)很重要，但當(dāng)前沒有商業(yè)月球有效載荷服務(wù)（CLPS）任務(wù)，探測可能存在較多水冰物質(zhì)的隕坑。月球隕坑采礦提倡者希望獲得更多精確數(shù)據(jù)開展勘測，實際上人類從未在月使用靈敏儀器取樣，并高度肯定月球水冰的存在，仍然不知道月球冰層的具體狀態(tài)，以及它們是如何與風(fēng)化層混合在一起。

熱采礦法是將足夠高溫度的熱量直接施加至月球表面，將冰轉(zhuǎn)化為水蒸汽

哪里有挑戰(zhàn)，哪里就有航空工程師研究相關(guān)的解決方案，洛克希德 · 馬汀公司正在贊助一支研究團(tuán)隊，用于研制一種叫做 “維里塔斯（Veritas）”的探測器，該公司將發(fā)射 “麥肯德利斯號”月球登陸器致力實現(xiàn)商業(yè)月球有效載荷服務(wù)，從而證明月球表面存在水冰。

“維里塔斯”探測器將攜帶足夠使用一整天的電池進(jìn)入永久陰影隕坑，在隕坑底部著陸后該探測器將在 200 米半徑范圍的周邊方向發(fā)射 6 個小型、裝滿傳感器的 “松鼠”包裹，使用探地雷達(dá)和傳感器系統(tǒng)的勘測數(shù)據(jù)，該探測器可在不需要額外重量、成本和其他限制的情況下進(jìn)行廣域勘測。

一旦發(fā)現(xiàn)月球存在水冰的秘密，接下來就是考慮如何將水冰加工為火箭燃料，隨著時間推移，該發(fā)現(xiàn)將演變?yōu)樯虡I(yè)太空競爭和國家太空規(guī)劃。

月球采礦并不完全像地球陸地采礦，部分月球采礦支持者現(xiàn)已設(shè)計一種新方法從冰冷月球表層土中解凍冰層，該方法是 “熱采礦法”。

熱采礦法是將足夠高溫度的熱量直接施加至月球表面，將冰轉(zhuǎn)化為水蒸汽，本質(zhì)上是通過升華過程越過液相（liquid phase），之后蒸汽會被收集在一個較大的遮篷中，重新冷凍然后運(yùn)送到一個電解站，在那里冰會被分解成氫和氧。

最新研究表明該方法可以從月球物質(zhì)中成功提取燃料成分，同時，該研究報告還評估了在月球建造一處燃料基地的最終規(guī)模，推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備重量為 26 多噸，每年可生產(chǎn) 1100 噸推進(jìn)劑燃料，可開發(fā)部署在月球表面，成本大約 25 億美元。初步商業(yè)案例分析顯示，如果推進(jìn)劑生產(chǎn)運(yùn)行時間至少為 10 年，那么依據(jù)商業(yè)和政府對推進(jìn)劑的需求（包括幫助地球同步衛(wèi)星到達(dá)最終軌道的最高階段），可實現(xiàn)產(chǎn)能正回報。

研究人員警告稱，該操作過程必須對樣本加熱至很高的溫度，從而確保在有效工業(yè)水平將冰轉(zhuǎn)化為蒸汽。初步估算顯示，工業(yè)規(guī)模熱采礦處理需要 2.8 兆瓦電力，問題的關(guān)鍵在于如何在月球隕坑中制造如此多的電能。

一種方案是在隕坑深處建造一個小型核反應(yīng)堆，目前美國宇航局致力于該技術(shù)的研發(fā)，并取得了一些技術(shù)突破。2018 年，美國洛斯 · 阿拉莫斯國家實驗室、內(nèi)華達(dá)國家安全站和美國宇航局合作，使用斯特靈技術(shù)千瓦反應(yīng)堆（KRUSTY）實現(xiàn) 28 小時全功率電能供應(yīng)。

美國宇航局喜歡這種裂變反應(yīng)堆，因為它可以連接至斯特林發(fā)動機(jī)，這是一個封閉循環(huán)、能量可再生設(shè)備，并且使用壽命長，維護(hù)費(fèi)用低，是一種能有效為外太空熱采礦作業(yè)提供動力的能源制造方案。

然而，斯特靈技術(shù)千瓦反應(yīng)堆使用的是 Y-12 高濃縮鈾（HEU）作為燃料來源，HEU 反應(yīng)堆更輕，像這樣的緊湊型動力源在太空環(huán)境中具有一定優(yōu)勢，但是該設(shè)施很容易轉(zhuǎn)換為改良型核設(shè)備，其使用過程必須充分考慮后勤保障和嚴(yán)格的安全監(jiān)督。

由于這些原因，過去幾年時間里科學(xué)家研制一批小型、商用低濃縮鈾（LEU）反應(yīng)堆，它們被稱為微型模塊反應(yīng)堆，簡稱 MMR。目前，研制商用低濃縮鈾的公司正在積極滿足月球采礦的需求，部分公司已將他們的最新技術(shù)應(yīng)用于太空領(lǐng)域。

超安全核能公司（UltraSafe Nuclear Corp）就是其中一家公司，該公司銷售 LEU 裂變反應(yīng)堆，并制造一種 “Pylon”反應(yīng)堆。公司研究人員指出，在永久陰影隕坑中勘探月球資源，并利用熱能處理當(dāng)?shù)刭Y源非常適合核能開發(fā)利用，然而盡管反應(yīng)堆提供電能的前景非常好，具有很廣闊的開發(fā)潛力，但出于技術(shù)發(fā)展和政策限制，核能開發(fā)經(jīng)常被排除在考慮范圍之內(nèi)。目前，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)表示，太空核能研發(fā)技術(shù)和政策的瓶頸限制可以突破。

如果未來計劃在月球隕坑深處進(jìn)行開采，超安全核能公司非常明確地表示，該公司的產(chǎn)品符合該項太空任務(wù)的要求規(guī)格，“Pylon”反應(yīng)堆就可以，未來可通過一個大型商業(yè)月球有效載荷服務(wù)著陸器將該反應(yīng)堆運(yùn)送到月球表面。

核能開發(fā)

歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統(tǒng)，它被稱為 “首個直接將固體月球表層土模擬物加工成粉末”的例子

在過去半個世紀(jì)里，人們一直在考慮如果開發(fā)月球資源，核能熱采礦并不是唯一的選擇，歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統(tǒng)，它被稱為 “首個直接將固體月球表層土模擬物加工成粉末”的例子，該模擬物幾乎可以提取所有氧氣，將月球風(fēng)化層與融化的氯化鈣鹽放在一個金屬籃子中作為電解液，之后再加熱。

該系統(tǒng)僅需將風(fēng)化層物質(zhì)加熱至 950 攝氏度，而不是融化表層土。依據(jù)歐洲航天局的觀點，電流可使氧氣離開表層，穿過鹽層，在陽極區(qū)域收集起來。作為一個額外的好處，該處理過程可以從月球風(fēng)化層提取可用的金屬合金。

英國格拉斯哥大學(xué)貝斯 · 洛馬克斯（Beth Lomax）稱，能夠從月球資源中提取氧氣，將對未來人類定居月球非常有用，無論是供給人類呼吸，還是作為本土火箭燃料制造。據(jù)悉，洛馬克斯的技術(shù)研發(fā)獲得歐洲航天局的大力支持。

另一個觀點是借鑒古代鏡面反射原理，希臘數(shù)學(xué)家阿基米德利用鏡面反射陽光點燃入侵者的木船。依據(jù)相同原理，在月球隕坑邊緣設(shè)置定日鏡（可移動的鏡面），可以將陽光直接照射在冰冷的風(fēng)化層。在隕坑邊緣每隔 120 度分別放置 3 個定日鏡，可以確保穩(wěn)定的陽光照射到隕坑底部的礦井，同時 2 個定日鏡可將陽光照射在蒸汽捕獲遮篷和燃料加工站。

第三個觀點完全不同于熱采礦法，基于研究淺層隕坑中含有細(xì)粒冰的跡象，淺層隕坑產(chǎn)冰量較小，可能僅有 2%，相比之下，深層隕坑產(chǎn)冰量較高，大約 5%，但是深層隕坑采集作業(yè)帶來諸多挑戰(zhàn)，尤其是高等級供電需求，對淺層隕坑進(jìn)行更簡單的 “挖掘 - 篩選”系統(tǒng)可使月球首個采冰礦井開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

在科幻電影中月球采礦似乎是不可能完成的任務(wù)，但目前基于成熟的技術(shù)和方案，科學(xué)家們已構(gòu)想了如何從月球上采集寶貴資源。在國家政府和航天機(jī)構(gòu)的支持下，一些國家的月球礦工們已躍躍欲試了。月球采礦業(yè)越早開始，就能越早地提高人類探索太空的能力，加快人類對太空的認(rèn)知。