全太陽系資源開發，需要哪些新技術？_風聞

來源：航天五線譜

近日，我國航天專家提出了全太陽系資源開發路線圖。未來，地外天體水冰資源開發、外星球採礦、太空航班化運營等任務都呼喚更多航天新技術的研發、應用，以創造更大價值。相比航天史上的太陽系內探測任務，未來太陽系資源開發可能會實現哪些宏偉目標？需要哪些新技術助力？科研人員又需要克服哪些挑戰呢？

“天工開物”佈局大開發

不久前，中國宇航學會第一屆空間科學與試驗學術交流會在北京召開。會上，中國科學院院士王巍作《太空資源開發體系發展設想》報告，併發起“天工開物”計劃倡議。

外星球冰層下海洋探測器想象圖

報告提出了以戰略性礦產資源開發為目標，以地外水冰資源利用為基礎，以兩大天體間拉格朗日點L1/L2為節點，由近至遠、分步建設太空資源開發體系的設想。

 

一方面，逐步建設月球、近地小行星、火星、主帶小行星、木衞星等水冰資源開發設施，逐級建設涉及月球、火星、穀神星、木星等太空資源補給站體系，具備全太陽系資源的探索開發能力。

另一方面，擬建設太空資源補給站、太空資源運輸通道、地外天體採礦站、太空資源加工站、太空資源低成本返回通道等太空基礎設施，逐步形成涉及月球、近地小天體、主帶小行星、行星等太空資源開發體系，具備規模化、商業化太空資源開發利用能力。

此外，重點佈局空間進出、太空運輸、太空補給、太空採礦、太空資源加工技術，重點突破低成本資源返回、航班化空間資源運輸、太空資源補給站、地外天體採礦站、太空資源加工站等共性關鍵技術。

總之，報告提出了“勘、採、用”階段目標，初步給出了2035年、2050年、2075年及2100年前全太陽系資源開發4階段發展路線圖，推動我國太空資源開發利用領域實現跨越式發展。

為了達成這些宏偉目標，航天人有必要大膽創新，研發、應用一系列新技術。

勘探，深入瞭解太陽系

開發太陽系資源，首要任務就是對地外天體進行足夠精確的勘測。

現有的航天勘測手段已實現了對外星球表層資源的信息收集，包括藉助探測器揭示月球極地水冰資源分佈狀況，對火星表面甚高分辨率成像，使用地基雷達，解析近地小行星表面主要成分等。

核電推進火箭執行深空任務想象圖

不過，現有技術難以兼顧對外星球表面的精細探測和廣域探測。比如，火星勘測軌道器的高分辨率相機在10多年內僅掃描覆蓋了約5%的火星表面。未來，在勘探太陽系資源的征程中，更大幅寬、更高精度的成像探測系統必不可少。

更進一步，對地外天體深處的資源勘測也是有待開發的新領域。在木衞二、土衞二、海衞一等巨行星的衞星表面厚厚冰層下，得益於衞星內部殘存熱量和巨行星引力作用，很可能存在廣闊的海洋。未來，這些地下海洋不排除幫助補給執行深空任務的航天器，甚至用於補充地球上的水資源。

不難想象，勘測這些冰衞星，需要使用鑽機和潛航器，通過加熱融冰來穿透數公里厚的冰層，遨遊地下海洋。這些設備有必要藉助放射性同位素裝置來維持長期工作狀態，降低系統複雜度和綜合成本。

此外，更強大的地基和天基雷達將進一步勘測近地小行星和主帶小行星的資源成分，並判斷它們是否具備開發價值。

考慮到遙遠距離與未知的高風險環境，基於人工智能的無人探測器將成為勘測“先鋒”，儘量以較低成本收穫更多成果，為建立有人駐留的深空前哨站打基礎。為了適應惡劣的地外天體輻射環境，無人探測器的人工智能算力和通信能力必須不斷升級。

採集，大規模進入太空

如今，探測器已實現了月球採樣返回，火星採樣返回任務正在加緊推進。不過，相比科研性質的少量採樣，未來地外天體資源持續開採總量必然顯著增加。為此，航天人有必要掌握大規模進入太空的能力，擁有足夠強大的太空運力。

外星球採礦場景想象圖

綜合效益較高、可重複使用的重型火箭和航班化空天運輸工具應該能“拔得頭籌”。它們將使用化學能，分批次執行近地軌道發射任務，實施集成組裝，建成比國際空間站更龐大宏偉的太空設施。不過，在頻繁的深空飛行中，化學能發動機比衝有限，推進效率不高，有必要應用更高效的基於太陽能和核能的推進技術。

眾所周知，太陽輻射強度隨着航天器遠離而急劇減弱，超出木星軌道後，太陽翼發電效率難以滿足任務需求。未來，應用新技術，藉助反射器，強化匯聚至太陽翼上的陽光，理論上可以將太陽翼應用擴展至土星軌道。

核動力航天器很可能是常態化太陽系內航行的必備選擇。由於核裂變碎片火箭發動機、核聚變推進等方案的技術成熟度低，核熱推進、核電推進似乎更加現實。

核熱推進的原理是使氫等工質直接流過反應堆堆芯加熱，形成推力，早在20世紀60年代就進行了初步試驗。國外核燃料濃度較低的核熱火箭有望在5年內首飛，目標包括驅動航天器2年內抵達木星，3年內到達土星。

但核熱推進目前存在一些難題，比如啓/停耗時過長。此外，反應堆堆芯燃料棒在連續運行下可能產生異常蠕變、包層碎裂、強度下降等問題，多次啓動和連續工作時間受限。

核電推進需要使用複雜精密的機械結構，主動循環制冷工質，又缺乏冗餘備份，導致在深空環境下可靠性差，工作壽命往往只有數十天，巨大的散熱裝置也會造成航天器“超重”。

實際上，航天器在外星球表面大規模開採資源，必須克服巨大挑戰，比如發展更出色的柔性機械臂等，更需要在材料、結構設計等基礎領域取得進步。

除了推進技術創新外，新穎的航天器設計思路有望投入實踐。比如，航天人可以考慮藉助推力器等，“搬運”藴藏有足夠資源的小天體靠近地球，簡化航天器着陸或採樣設計方案，轉而攻關航天器和小天體的組合體控制技術。

利用，整體邁上新台階

太陽系資源深入開發階段，採集獲取的空間原料將不再被完全運回地球，而是儘量在軌轉化為可利用的資源。

比如，科研人員正論證將外星球的水冰資源電解生成氫、氧等，供給航天器或者太空工作者；將採集的原礦提煉為可以直接使用的金屬資源，甚至加工成配件，在軌組裝航天器；使用火星表面的二氧化碳、氫氣等，通過薩巴蒂爾反應，生成甲烷，進一步合成有機物甚至食物；航天器材料和智能化進步後，可以考慮從富集放射性原料的外星球上採集核原料，生產反應堆燃料棒，或者從巨行星的大氣中提取稀有氣體和電推進工質。

總之，隨着深空任務航天器廣泛部署和太空基建逐漸完善，地外天體資源更多將被用於支持前哨站運作，有時候運回地球反而得不償失。當前，多國航天已經或即將實施月球、火星等外星球原位資源利用試驗，有助於探索地外天體資源開發的新模式。

發展外星球原位資源利用，開展太空生產活動，將是未來太陽系資源開發的趨勢，能源供給難題不容忽視。為此，有必要建設空間太陽能發電站等太空基礎設施，幫助航天器和太空工廠簡化設計。

散熱將是太空工廠面臨的又一個問題：輻射散熱效率較低，在缺乏液體和大氣的外星球上高温冶煉金屬，風險較大。這樣看來，太空工廠適合建在擁有大氣的火星、土衞六等天體上。

暢想未來，如果生產精密器件的太空工廠成真，或許航天人可以利用無重力環境，打造“太空船塢”，組裝一些在地球環境中難以實現的巨大航天器，支持更遠的航行或者運輸更多貨物。

航天事業已成為各國爭相投入的“希望領域”，因為近乎無限的空間資源以及探索、開發過程中取得的技術成果，都代表着國家發展和戰略競爭中的光明未來。隨着技術進步，太空資源開發的構想正在逐漸變為現實，航天人仍需在持續投入下繼續努力。