太空資源開發的發展態勢與太空新經濟探討_風聞

來源：微信公眾號“中國航天”

太空資源開發的發展態勢與太空新經濟探討

王巍1 姚偉1,2 

（1.中國航天科技集團有限公司；2.中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室）

**摘   要：**以月球開發、小天體採礦為代表的太空資源開發正逐步變為現實。它不僅是實現規模化深空探測與應用的重要基礎，也將催生新的太空經濟，有望解決地球面臨的資源匱乏、能源危機等一系列制約性問題，為地球可持續發展注入新動力，給人類帶來巨大的經濟價值。介紹了太空可獲得的資源類型和價值，結合國際發展態勢，從太空水冰開發的原位利用價值、太空其他礦產開發的原位利用價值和太空關鍵礦產開發的地球利用價值3個方面，探討太空資源開發的經濟價值，並展望了未來發展趨勢。

**關鍵詞：**太空資源；小天體採礦；月球開發；經濟價值

地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃裏。當前，重返月球、載人登陸火星等極具挑戰性的探索任務正逐步實施。正如人類學家、未來學家阿爾文•托夫勒所預測的那樣，“第四次浪潮”將是以人類進入太空居住為標誌的太空時代。人類文明向太空的拓展必將帶來太空的工業化，同時將具備新工業革命的信息化、網絡化、智能化等新特徵。以太空資源開發為代表的“大航天時代”是太空工業化的第一步，也是太空工業化的重要基石，將催生太空採礦、太空資源加工、太空製造、太空運輸等一系列新興工業領域。

隨着航天科技的迅速發展，以月球開發、小行星採礦為代表的太空資源開發正逐步變為現實（這裏所説的太空資源主要是指太空物質資源）。它不僅將大幅減少地球補給、有效降低太空探索的任務成本，是實現規模化深空探測與應用的重要基礎，也將有望解決地球面臨的資源匱乏、能源危機等一系列制約性問題，為地球可持續發展注入新動力。太空資源開發將激活太空經濟活動，催生地月經濟圈、太空製造、太空物流、太空能源等新興產業，是未來國家間實力競爭的一項重要判斷標準，也將成為各國新的經濟增長點。

一、

背景

從物質起源、天體演化的角度來看，各種元素在宇宙中廣泛分佈，宇宙物質的存在具有廣義的普遍性和統一性。學者普遍認為，太陽系是由一團旋轉的氣體和塵埃分子云在自身引力的作用下坍縮形成的，太陽形成於質量中心位置，其餘坍縮的成分形成行星盤繼而演化為現今的太陽系。太陽系內氫、氦、氧、碳等元素具有很高的丰度，並擁有各種金屬和礦物質。從地外天體獲取物質資源，將使地球從物質封閉系統轉變為物質開放系統，為地球可持續發展提供不竭動力。

自1959年美蘇開始發射月球探測器以來，經過60多年的發展，人類發射了大量月球與深空探測器，對太陽系的主要天體開展了飛掠、抵近、環繞和着陸探測，獲取了大量科學數據，對太陽系天體的元素組成、資源分佈、賦存狀態有了比較全面、深入的認識。而且，通過多種途徑實施了月球和小天體的採樣返回，獲得了多種類型的地外樣品，開展了地質、礦物學等方面的研究，為太空資源利用提供了重要科學基礎。大量探測數據表明，太陽系各天體擁有豐富的自然資源。例如，月球極區富含約6億噸水冰資源，月球表面匯聚了高達60萬噸氦-3核聚變資源，月球克里普巖（KREEP）富含鉀（K）、稀土元素（REE）和磷（P），以及釷、鈾等放射性元素，總稀土元素資源量為225億~450億噸，釷和鈾資源分別達8.4億噸和3.6億噸。此外，月球還藴藏豐富的鉻、鎳、鉀、鈉、鎂、銅等金屬礦產資源。小行星擁有豐富的礦產資源，具有巨大的開採價值。碳質小行星不僅富含碳、氫、氧、氮等元素，能夠為深空探索補給物資，而且鉑系金屬元素含量也很豐富。金屬質小行星主要由鐵、鎳構成，富含鉑族礦物和稀土元素。火星表面存在大量水資源，包括極地永久水冰蓋、次表層冰凍圈、礦物結合水、水蒸汽等。火星大氣富含二氧化碳，濃度達95%。

以月球推進劑生產為代表的月球資源開發活動將大幅降低太空運輸成本，激活並有效促進地月空間的經濟活動，催生地月經濟新業態，推動人類文明跨入新階段，並將在月球創建人類的“第二家園”。月面資源開發引發的“太空新經濟”會給人類帶來不可估量的經濟價值。正如歷史上美洲新大陸的發現，月球資源將吸引各航天大國的開拓者和探險家，以及風險資本和產業活動的匯聚。針對地球可持續發展面臨的戰略性資源短缺問題，國際上興起了“太空淘金熱”，以小行星採礦為目標的私營公司如雨後春筍般湧現。預計未來20年，國際上將逐步實施小行星資源勘探、小行星採礦演示驗證，並最終實現商業化運行。多家機構對太空資源的經濟價值進行了經濟學預測，美國美林集團（Merrill Lynch）和全球著名經濟智庫美國米爾肯研究院（Milken Institute）認為，地月空間商業活動的生產總值每年將高達2.7萬億美元，而火星、小行星帶等的價值超過7萬億美元，將改變全球經濟格局（圖1）。總體上看，太空探索進入到太空資源開發的新階段，將為人類打開巨大的資源寶庫。

圖1 美國美林集團新興太空市場預測

二、

國內外發展態勢

21世紀以來，美國、歐洲、中國等國家和地區以月球資源開發為重點，規劃了技術發展路線圖並部署了一系列月面試驗任務。美、日、歐等國家和地區已實施了多項小天體探測、特徵識別、採樣返回、操作處置等重大任務，具備小行星採樣返回和初步操作能力，開展了小行星資源普查，技術與經濟性評估。我國正在實施小行星探測工程任務，將對近地小行星2016HO3開展伴飛探測並取樣返回。這一系列小天體探測任務，將為小行星資源開發奠定基礎。當前的主要航天大國甚至一些新興商業航天公司已擁有了近地天體的繞飛、着陸與探測的航天工程能力和實踐經驗。實施這些任務形成的工程和技術能力為建立太空資源開發基礎設施提供了重要支撐。

（一）美國

2015年，美國國家航空航天局（NASA）馬歇爾空間飛行中心成立了太空2100 研究組，對2050 年地月經濟圈態勢進行了預測，包括高度網絡化、國際化的太空工業和地月基礎設施。研究指出，原位資源利用（ISRU）和原位3D製造將是關鍵技術，需開展在有人監督下的機器人月球表面或小行星上的採礦作業。月球附近將建立可容納300人的棲息地，包括進行採礦作業、中轉站和建造設施的人員。這個棲息地將提供輻射屏蔽和人工重力，演示糧食生產和其他技術，利用太空原位資源實現基本自給自足。

2016年，美國聯合發射聯盟公司（ULA）認為30年（2046年）後，1000人可能會在地月空間生活和工作，提出了一個可自我維持的太空經濟模式——地月1000（Cislunar1000）計劃。水是支持人類活動的必需品，並且容易通過電解分離成氧和氫。氧氣對人類呼吸空氣至關重要，當液化後，氫和氧是理想的化學推進劑。因此，水資源開採與利用是地月經濟的關鍵，開採月球水冰作為推進劑可能是月球資源的首要經濟活動。圖2給出了設想的地月空間經濟市場，潛在的地月空間活動包括太空推進劑生產、新材料和製造、人類太空生活和工作、近地小天體採礦，以及科學探索、太空碎片管理、衞星服務與加註、“國際空間站”、載人探索、空間太陽能電站、自維持居住地等。地月高速公路-空間運輸基礎設施概念包括推進劑加註站、軌道拖船、中轉中心、服務站等，以及對自主採礦設備的需求。

圖2 美國聯合發射聯盟公司設想的地月空間主要經濟活動和新興地月市場

2020年4月，NASA發佈《月球持續探索與開發計劃》，提出美國將加速實施“阿爾忒彌斯”計劃，在月球南極建設“阿爾忒彌斯”營地，開展月球資源開採和原位資源利用，支持長期經濟與科技活動，為21世紀30年代首次載人登陸火星奠定基礎。2020年9月，NASA發佈“阿爾忒彌斯”計劃大綱，提出將在月球上演示生產水、燃料和其他供應品，以及建造設施的能力。2020年10月，美國與多國簽訂《阿爾忒彌斯協定》，其核心是太空資源條款。簽署國提出太空資源的利用可以為安全和可持續的太空活動提供關鍵支持，從而造福人類；應在《外層空間條約》框架下開展月球、火星、彗星、小行星等太空資源的開採與利用；承諾使用安全區，鼓勵科學發現、技術驗證以及安全高效地開採和利用太空資源。

2021年4月，美國大西洋理事會發布了《太空安全的未來：未來30年的美國戰略》，指出未來30年太空政策的重點在地月空間。該戰略給出了美國將在短期（2021-2025）、中期（2025-2040）、長期（2040-2050）三個時間段內優先發展更新細化太空治理法律法規框架、建立太空安全合作聯盟、加速太空商業化、開發地月空間等四個方向，並實現科學觀測、軍事監測與通信、以及資源開採等。加速太空商業化需加大太空發射、衞星星座運營、新動力和推進劑系統、在軌服務和太空資源利用（包括從月球或小行星表面提取材料用於獲取燃料或水）等關鍵基礎技術的重點投資。太空資源利用將成為下一個從根本上增加太空活動和參與太空探索國家數量的技術催化劑。太空資源利用技術在太空中開採、獲取消耗性資源，將顯著降低發射成本，並最終實現從月球發射。太空資源開發可帶來顯著的經濟價值，一顆足球場大小的小行星可以生產500億美元的鉑。太空資源的開發時機已經成熟，將是未來30年確保空間安全的關鍵。

2022年11月，美國白宮科技政策辦公室發佈《國家地月空間科技戰略》，該戰略是美國政府太空優先事項之一，為建設地月生態系統奠定了基礎。該戰略提出美國將基於太空優先框架，指導其負責任、和平和可持續地探索和使用地月空間，提升美在地月空間科學、探索和經濟發展活動方面的太空優勢。該戰略是美國政府太空優先事項之一。為實現這一願景，美國政府制定了以下4項關鍵目標：（1）鼓勵科技研發，實現美國在地月空間的長期發展；（2）擴大地月空間國際科技合作；（3）增強地月空間態勢感知能力；（4）提高可擴展和可互操作的地月空間通信及定位、導航和授時（PNT）能力。第一個目標的首要子目標為：促進人類在地月空間長期駐留和生存，致力於研發使人類能夠在地月空間長期駐留和生存的能力和技術，併為未來載人火星及更遠深空任務提供支持。它包括：（1）支持軌道和月球表面技術的發展以及其他可擴展的能力，包括可加註月球着陸器、環境控制和生命維持技術、月球表面動力系統、移動和輻射太空服等。（2）對月球資源進行評估，推進對月球資源利用的研究、開發及演示，包括資源表徵和勘測、利用原位材料製造設備組件、自主裝配結構以及處理水、氧等有用分子等。（3）開展減輕空間環境對人類造成負面影響的相關研究，包括輻射對機組人員工作和健康的影響、微重力影響等。（4）鼓勵深空載人探索和永久居住相關的社會科學領域研究，諸如人類向空間擴張的指導倫理、空間發展的長期合作模式以及空間社區的公平治理結構等。

近年來，商業航天也積極開展太空資源開發活動。2012年，美國成立了行星資源公司（Planetary Resources），它是全球第一家致力於小行星資源開採的科技公司，該公司提出分批發送大量機器人進入太空，搜尋具有開採價值的小行星並對其進行開採，最後將礦產資源帶回地球的方案。2013年，美國深空工業公司（Deep Space Industries）成立，規劃了勘探、開採、加工和製造4個階段的小行星資源開發利用任務。勘探任務由“螢火蟲”飛行器完成，它利用光譜探測等形式對小行星進行環繞探測，對水、鐵礦石、稀有金屬等資源進行勘探；開採任務由“蜻蜓”飛行器完成，在小行星表面採集樣品並進行分離，保留稀有、價值較高的礦物；加工任務由近地空間的資源處理站進行深度加工，實現物質的分離與提取，獲取製造材料；製造任務將由微重力製造廠進行，通過3D打印技術製造高密度、高強度金屬零部件，用於建造飛行器艙段、巨型結構等空間設施。2022年1月，美國成立AstroForge初創公司，並獲得1300萬美元的種子基金，其目標是重點開採地球上需求量很大的鉑族金屬（PGM）小行星資源，目前已開發測試了處理小行星材料的新技術。

（二）歐洲

2016年，歐空局（ESA）提出國際“月球村”計劃，將聯合全世界航天國家的力量，在月球表面建設一個由所有感興趣的團體和國家參與的合作營地，開展科學探索資源開發乃至商業性項目。約有來自30多個國家的150名成員構成的月球村協會（Moon Village Association，MVA）牽頭開展規劃設計，促進實現永久月球基地的願景。ESA認為月球基地將引發新一輪技術創新，包括就地取材，利用3D打印技術建造月球基地等，以及利用立方星技術開展月球資源及環境探測、發展商業化的月球探測支持能力等。ESA以投資研發或付費使用的方式發展將月球物質原位轉化為氧氣和水的技術，以保障未來載人深空探測活動。2017年ESA發佈公告，發展月球原位資源利用技術，每項資助額度20萬~50萬歐元，包括研製探測器、有效載荷、儀器等產品，開展技術驗證，目標是演示在月球表面生產氧氣的ISRU相關技術，以及勘測未來載人探測區域的ISRU資源特徵。

2019 年， ESA提出太空資源戰略（ESA Space Resources Strategy）（見圖3），以原位資源利用實現月面長期生存為願景，實施三階段計劃：勘測、探索和技術成熟（20年代早期）；端到端演示驗證（20年代中期）；在探索任務體系下的集成ISRU試驗工廠（30年代中期）。同年，ESA與火箭製造商阿里安集團（Ariane Group）簽約，計劃建立基地從月球開採太空資源。盧森堡2020年宣佈建立歐洲太空資源創新中心（ESRIC），並通過與ESA合作，旨在使該中心成為太空資源領域科學、技術、商業和經濟方面的專門知識實體，開展包括月球水、小行星礦物等太空資源的利用。2022年6月，ESA發佈了新世界載人探索戰略路線圖（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap），提出了近地軌道、月球和火星的載人探索路線和重點任務，同時，將太空資源戰略融合到這個戰略路線圖中。

圖3 ESA 的太空資源利用發展戰略

（三）中國

2021年6月，中國國家航天局正式發佈了《國際月球科研站路線圖V1.0》，提出在2035年前後集中開展國際月球科研站建設，完成在軌和月面的能源、通信和運輸等設施建設以及月球ISRU研究探索等任務。月球科研站是一個能夠長期穩定運行、具有自主決策能力，可以開展科學探測、科學研究和原位資源開發利用的綜合平台。月球科研站初步由中樞控制模塊、能源模塊、通信模塊、運輸模塊、原位採樣和製造模塊、科學研究模塊、人機結合模塊等基本功能組成。在月球南極附近建設科研站，既可以實現部分時段與地球進行直接通信，也可以通過月球軌道中繼衞星進行通信。2024年4月25日，吳偉仁院士在中國航天大會上提出月球科研站建設設想：依據“總體規劃、分步實施、邊建邊用”的原則，國際月球科研站建設將按照2個階段分步實施，計劃2035年前建成基本型，以月球南極為核心，建成功能基本齊備、要素基本配套的綜合科學設施，開展常態化科學實驗活動和一定規模的資源開發利用；2045年前建成拓展型，以月球軌道站為樞紐，建成功能完善、相當規模、穩定運行的設備設施，開展月基綜合性科學研究和深度資源開發利用，為載人登陸火星開展相關技術驗證和科學實驗研究。國際月球科研站由月面段、月軌段和地面段構成，由能源動力系統、指揮信息系統和月面運輸系統等基礎設施組成，具備能源供應、中樞控制、通信導航、地月往返、月面科研等功能，可長期持續開展科學探測、資源開發、技術驗證等多學科、多目標、大規模科學和技術活動。裴照宇和王瓊以中國倡導的國際月球科研站總體架構和創新發展需求為指導思想，依據“資源可分類，利用需綜合”的月面資源利用方針，規劃了月面資源利用場景（見圖4），表達了能源動力、物質轉化、月基建造的拓撲關係，以及各類資源利用活動之間的內涵關聯和拓展應用關係，並提出了近-中-遠三期月球資源綜合利用的發展目標和發展路線構想。

圖4 月面資源綜合利用場景及內涵關聯拓撲場景規劃

包為民院士對地月空間探索和開發進行了深入論證，認為地月空間是人類走向深空的第一站，存在着各類物質、能源、環境、位置等稀缺戰略資源，是未來很長一段時間內人類生存與發展的戰略空間。地月空間探索與開發由地月空間航天運輸體系、地月空間資源探測與開發體系、地月空間基礎設施體系等三大硬件設施和法律法規體系支撐實現。其中地月空間資源探測與開發體系負責對地月空間各類資源實施勘探、採集和利用，包括地月空間飛行、月面長期工作支持、月面移動與操作和資源開發利用等服務（見圖5）。未來需具備以下能力需求：（1）勘探能力。構建地月空間資源勘探能力，實現對地月空間資源類型、分佈的全面評估。（2）採集能力。開展地月空間資源挖掘、深層資源鑽取，實現水冰、礦產等各類資源的收集。（3）利用能力。與地月空間基礎設施體系共同實現對地月空間各類資源的利用，減少對地球資源的依賴性，保障人類地月空間活動的可持續發展。

圖5 地月空間探索與開發活動示意圖

2023年，筆者團隊在長期研究、技術攻關和系統論證的基礎上，提出了“天工開物”太空資源開發規劃設想，展望了太空資源開發帶來的太空新時代前景。月球資源開發是太空資源開發的第一步，將為地月空間經濟化和最終的全太陽系資源開發提供物質基礎。月球資源開發體系以水冰資源開發為目標，重點建設月球極區採冰站、地月L1資源補給站，建立低成本月面發射系統和地月運輸系統，形成低成本地月供應鏈系統，支撐常態化地月空間活動，併為近地小天體採礦和其他行星開發重點提供空間推進劑補給。進一步，以人類社會發展緊密相關的戰略性礦產資源開發為核心，以水冰資源開發和水基推進製備為基礎，以地球為中心，由近及遠，分階段建設月球資源開發體系、近地小天體採礦體系、火星資源開發體系、主帶小行星採礦體系、類木行星探索開發體系及內行星探索開發體系，逐步構建全太陽系資源的開發能力（見圖6）。

圖6 太陽系資源開發體系架構

（四）其他國家

俄羅斯聯邦航天局在《2016—2025年聯邦航天規劃》中將月球定位為深空探測的研究重點，計劃於2025年前完成月球南極着陸和巡視任務，旨在驗證原位資源利用技術。2023年8月11日，俄羅斯“月球”25探測器發射升空，重點研究月球兩極地區的水及其他化合物，它是俄羅斯46年來的首次探月任務。但令人遺憾的是，它於8月19日出現異常並失聯。韓國提出了月球揮發物研究計劃，包括髮射韓國的“探路者月球軌道器”（KPLO），該探測器攜帶中端波長的紅外光譜儀（MWIR）用於尋找月球水冰的直接證據。

日本國會通過了《促進與探索和開發太空資源有關的商業活動法》，激勵日本公司在月球開發活動中佔據主導地位。日本各行業公司已經開始了月球商業化活動，推動與月球相關的業務和服務。2021年，日本成立月球工業願景委員會，發佈《月球工業願景：地球6.0》白皮書，指出月球及地月空間將成為新的太空工業生態系統前沿，新月球工業將為地球發展帶來重要價值。

三、

太空資源開發的新經濟價值

太空資源開發可在地外天體極端環境條件下，以較低的風險、代價和成本，開發並利用地外天體物質資源，生產製造服務於大規模空間活動、地外天體探索和地球可持續發展的材料和產品。按應用目標，太空資源開發總體上可分為兩大類：一是服務於太空探索與開發的資源利用（For Space），它更強調就地取材，在地外天體上識別、獲取和利用原位自然物質資源和人類廢棄資源，以獲得有用的產品和服務，直接支撐太空探索與開發活動，以及未來可能的地外移民和長期居住，這一般被稱為ISRU；二是服務於地球可持續發展的資源利用（For Earth），它從地外天體獲取地球發展所需的關鍵資源，並運回地球利用，這一般被稱為太空採礦（Space Mining），包括小行星採礦（Asteroid Mining）、月球採礦（Lunar Mining）等。

（一）太空水冰資源開發的原位利用價值

眾所周知，地球上的石油是現代國家國民經濟的血脈，石油工業也是現代產業的基礎工業之一。水是生命之源，也是人類實現長期地外生存的核心物質要素。更為重要的是，水可以通過太陽能光電催化直接生產氫和氧，既可為長期地外生存提供氧氣，又可為各類太空活動提供氫能和太空運輸所需的推進劑。可以預見，隨着太空探索與開發活動的頻度和規模增加，對水資源和衍生的氫氧的需求量也大幅增長。在即將到來的太空時代，水將是太空經濟的命脈，太空水工業也將成為太空工業化的基礎。在木星以內的太陽系範圍，太陽能較為充足、獲取便捷，通過在太空可原位獲取的太陽能和水資源來製備氫氧推進劑，是降低大規模太空活動成本的關鍵。雖然核能不依賴太陽能，功率密度大，但由於核能是不可再生能源，核安全要求高、成本高昂，而且還需要不斷補充推進劑物資，大規模太空活動時需從地面供給大量核燃料和推進劑，在相當長的時期內難以降低成本，不適宜大範圍利用。

月球和近地小天體的水冰資源開發是規模化太空活動的基礎。當人類具備了近地天體的水冰開採能力，並在此基礎上構建了地月空間的水基推進劑的供應鏈後，將激活整個地月空間的經濟活動，在此基礎上，將把人類活動逐步拓展到整個太陽系。表1給出了從地球和從月球供應推進劑的成本比較，可以看出，即使在近地軌道提供推進劑加註服務，月球推進劑也具有成本優勢；對於向地球靜止軌道、地月L1軌道提供推進劑，月球供應比地球供應的成本低一個量級；而對於月面應用，月球供應比地球供應的成本低近兩個量級。由於近地小天體的引力很小，不像月球需消耗燃料來突破月球引力阱的限制，因此，從近地小天體開採水冰資源所需的速度增量可能更小，小天體供應水的成本更低。

表1 從地球和月球供應推進劑的成本比較 美元

通過在月球表面開發水資源，為月面和月球軌道加註原位製備的推進劑，可有效支撐載人登月任務，大幅降低規模化任務成本。例如，美國NASA乘坐載人艙從“門户”（Gateway）空間站直接運送到月球表面，每次着陸任務都需要14~50t的推進劑。假設每年有兩次載人登月任務（每次需25t推進劑）和一次大型貨船任務（需50t推進劑），則月面推進劑的總需求為100t/年。使用5.35:1的推進劑混合比，這與水的氫氧元素質量比8:1不同，則需要約150t/年的月球水資源。若在月球極區開採水並生產氫氧推進劑，相較從地球供應，該類任務每年可節省53.3億美元的成本。

載人火星任務對水基製備的原位推進劑需求量更大。洛馬公司的火星大本營概念計劃提出利用地月L1點作為火星出發的集結地。每2年發射一次任務，每次都需要在地月L1點加註280t的推進劑。這意味着每年需要從月球或近地小天體開採420t的水資源。相較從地球供應，該類任務每年可節省23.1億美元的成本。

另外，在近地軌道的活動也對水基製備原位推進劑有重要的需求。通過在近地軌道上為上面級運載工具加註推進劑，可使得運載能力提高2.7倍以上。若每年有3次這種超重型發射任務，就會有每年高達210t低地球軌道的推進劑加註需求。考慮到從月球運輸水資源和製備的推進劑到低地球軌道，原位推進劑的需求會增長到1260t/年，這需要每年開採1880t的水資源。這些應用將構成太空水資源的早期市場需求。

在不遠的將來，人類的生存發展空間會向太空不斷拓展。在綜合了美國埃隆•馬斯克提出數十萬人在火星上生活、美國傑夫•貝佐斯提出數百萬人在地月空間生活和工作，以及美國聯合發射聯盟公司的地月1000願景的基礎上，預測未來太空人口規模及所需要的水如表2所示。按表1數據進行估計，在月球極區開採水並生產氫氧推進劑，為地月空間活動提供補給服務，相較從地球供應，2025年可節省56億美元，2040年可節省540億美元，而到2055年則可節省可達910億美元。

表2 太空人口預測和燃料與生保水資源需求

（二）太空其他礦產資源開發的原位利用價值

月球和火星都被選擇作為載人探測的目標，並將實現大規模的地外移民。地月經濟圈的建設和未來地火空間的拓展開發，將伴隨着一系列規模化、經濟性和可持續的太空基礎設施建設，包括地月空間站、月球基地與火星基地，以及太空資源開發、太空製造、太空物流、太空能源等設施。這些基礎設施的發展仍面臨重大挑戰，阻礙了人類實現脱離地球的生存能力以及太空資源開發的能力。

目前航天器主要的結構材料包括鋁、鎂、鈦等合金。鋁合金價格相對便宜，導熱性、導電性良好且抗腐蝕性能好，是目前衞星上應用最廣泛的輕金屬材料。鎂合金是常用合金材料中密度最低的材料，且減振能力好，易切削加工，但強度相對較低。鈦合金相比於其他輕金屬材料的優勢在於比強度最高，耐腐蝕性高，線膨脹係數小，並且高低温力學性能好，能在550℃高温和零下250℃低温下長期工作而保持性能不變。

未來太空基礎設施的建造將需要鋁、鎂、鈦、鐵、硅等大量金屬和非金屬材料。從地球向太空運輸物資代價高昂，向月球運送1kg的建設材料費用可能到達36000美元，向火星運輸建設材料成本更為高昂。月球、小天體和火星等地外天體的探測表明，它們賦存了大量的礦產資源，可以加工成類似於地球的建築材料和金屬與非金屬材料等。例如，小行星普遍存在精煉級鐵、鎳和鈷，以及鉬、鋁、硅、鈦和鉑族金屬（PGM）等。礦石品位顯著高於地球，開採、冶煉難度小。鎂、鋁和硅幾乎完全以氧化物形式存在於硅酸鹽、氧化物和碳酸鹽等化合物中，可採用星壤熔融電解等工藝進行化學還原來提取金屬元素。鐵可以3價（如磁鐵礦等）、2價（如橄欖石、輝石等）和0價（如鐵鎳金屬）的形式存在於小行星中。硅、鋁、鐵、鈦等材料在地球上儲量豐富，無需運回地球使用，但具有巨大的太空應用潛力。輕金屬鋁和鎂適用於建造大型桁架或梁等結構，鋼的性能在某些條件下比鋁或鎂更有優勢，若沒有發射質量和成本的約束，太空煉製的鋼鐵將有重大需求。太空電力可通過由硅製成的太陽能光伏電池來提供。其他金屬，如鎳、鈷、銅和稀土元素也具有特殊應用。當具備了在太空中冶煉生產的能力後，通過開發地外天體資源獲得的金屬和非金屬材料來開展太空基礎設施建造和關鍵結構部件、光伏電池等製造，甚至可能比返回地球的貴金屬更有價值。

通過利用太空原位資源，將大幅減少從地球的物資運輸量，有效降低建設成本。以表2為例，至2040年近地軌道站、地月L1軌道站、月面前哨站、火衞一前哨站和火表前哨站的人員規模為分別為218、79、68、12、20人，均超過“國際空間站”6~7名航天員的規模。與當前“國際空間站”重約420t、電功率75~90kW、居住體積388m3的規模比較，未來的這些基礎設施規模將大幅超過“國際空間站”，總體體積和質量巨大，建設成本也會非常高昂。即使假設未來建設的地月L1空間站的質量規模為420t，若通過月球原位資源來進行建設，參考表1的數據，則可節省約46億美元的發射成本。

另外，在太空或地外天體表面建設基礎設施，由於不需要經歷發射段和着陸段的強過載，以及應用於低/微重力環境下，其結構構件的強度和剛度要求大幅降低，會顯著節省建造材料的需求量和建造時間。例如，如果在月球表面建造射電望遠鏡，由於重力低且沒有動態載荷，與美國西弗吉尼亞州建造的直徑為182m、質量36000t的射電望遠鏡相比，質量可能會降低到約4000t。若通過月球原位資源來進行建設，參考表1的數據，則可節省約1420億美元的發射成本。

（三）太空關鍵礦產資源開發的地球利用價值

戰略性礦產資源（Strategic Mineral Resources）是一組重要的化學元素，它是全球經濟發展高需求、高價值商品的關鍵限制因素。這些元素包括：

（1）稀土元素（REEs）。共有17個元素，包括了原子序數從57到71的15個從鑭到鑥的鑭系元素以及與鑭系元素具有相似化學性質的原子序數為21的鈧和39 的釔（Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu），廣泛用於航天、軍事、能源、製造等高科技領域。

（2）裂變元素（U，Pu，Th）。主要用於產生核能的放射性元素。鈾、鈈和釷是僅有的3種可以被濃縮的自然元素，因此被用作核反應堆的裂變燃料。隨着核電的發展，這些元素將變得更有價值，需確保穩定供應。

（3）鉑族元素（PGE，包括銠Rh、鈀Pd、鋨Os、銥Ir、鉑Pt等）。它是化學性質類似於鉑的過渡金屬。這些元素最常用做工業過程中的催化劑和合金成分。

（4）稀有金屬和類金屬（RMs）。稀有金屬（Ga、In、Zr、Nb、Co、Ta）在新興技術中有重要需求。其中4種元素是過渡金屬，屬於3個不同的週期羣和2個週期；另外2種元素是類金屬。與稀土元素不同，這些元素具有非常不同的化學性質。

關鍵礦產（Critical Minerals）是指對經濟社會發展和國家安全至關重要，由於供應短缺存在較大風險，或者具有一定優勢可對全球供應具有較強影響力的礦產資源（見圖7）。2018年美國地質調查局制訂了關鍵礦產清單，2022年更新為50種。

圖7 美歐日關鍵礦產/原材料清單比較示意圖

到2050年，全球人口數量預計將超過90億。隨着全球人口持續增長，對戰略性關鍵礦產的需求迅速增加。許多戰略性關鍵礦產由於其稀有性，難以進一步增加產量，未來的資源供應無法滿足迅速增長的資源需求。例如，全球稀土元素儲量足以維持1個多世紀，然而，由於可開採的高品位礦石的稀缺性，難以保障未來的持續供應，因此，在未來100年內，稀土元素和其他關鍵性礦產資源的需求可能會迅速超過供應。2024年4月27日，中國地質調查局全球礦產資源戰略研究中心發佈了《全球礦產資源儲量評估報告2024》。報告顯示，截至2022年底，全球鐵、錳、鉻、磷、鉀鹽、鋰、釩、鈦、鎂、鎢、鈮、鉭和鉑族金屬儲量豐富，銦、錫、銻、鉛、鋅、鉍、鎳、鋁、銅等資源的保障程度較低，需進一步加大勘查力度和資金投入。

月球和小行星等地外天體藴藏着豐富的、可支撐地球可持續發展的戰略性關鍵礦產。月球獨特的克里普巖富含豐富的稀土資源和釷、鈾等放射性物質，探測數據表明，在月球正面風暴洋區域可能就是克里普巖的分佈區域，估計厚度約10~20km，初步估算表明克里普巖中稀土元素、釷、鈾的資源量分別約為6.7億噸、8.4億噸和3.6億噸。月壤中還富含地球上稀缺的氦-3核聚變能源資源，總儲量估計超過60萬噸。分析表明，10噸氦-3就能滿足我國一年所有的能源需求，100t氦-3便能提供全世界使用一年的能源。

小天體採礦是獲取戰略性關鍵礦產的重要途徑。小行星中密度較高的金屬，包括鉑族礦物和稀土元素，相對均勻地分佈在整個小行星中，簡化了採礦過程，鑽探相對較淺、礦石品位很高。小行星帶包含約8%的富金屬（M型）小行星和75%的富揮發性碳質（C型）小行星。碳質小行星富含氫、碳、氧、氮等元素，能夠為太空探索提供水和燃料，而金屬質小行星主要由鐵、鎳構成，有些小行星中鉑系金屬元素含量豐富，包含鉑、鈷、銠、銥、鋨等稀有金屬。富含鉑的小行星品位高達每噸100g，是南非露天鉑礦的10~20倍。這意味着一顆500m直徑的富含鉑的小行星可能含有近175倍的全球鉑的年產量。

通過地面和空間的遙感觀測，國際上已獲得大量的小行星數據，並建立了公開數據庫。例如，Asterank數據庫包含60多萬顆小行星，結合小行星的質量、組成、軌道等重要數據，估算開採小行星的成本和收益，可以快速獲得最有價值的、最合算的、最容易達到的小行星排序信息。近地小天體是現階段最適宜開採的目標，具有十分可觀的價值和利潤（見表3），主帶小行星開採價值更大，大量小天體的單顆價值和利潤均超過100萬億美元，小行星帶的典型小行星資源和價值估計如圖8和表4所示。

表3 按估計利潤排序前5 的近地小天體（截止到2023 年7 月共33652 顆）億美元

表4 按估計利潤排序前5 的主帶小行星（截止到2023 年7 月共1196092 顆）億美元

圖8 小行星資源的經濟價值（引自Planetary Resources）

圖9 地外天體採礦概念圖

四、

總結與展望

隨着航天科技的快速發展，一系列月球與深空探測任務成功實施，太空資源開發研究攻關力度加大，太空資源開發涉及的關鍵技術和共性基礎技術已形成良好的基礎，具備開展空間飛行演示驗證和規模化開採的技術條件，以小行星採礦為代表的太空資源開發已逐步變為現實。

太空資源開發將催生“太空新經濟”，把人類的經濟活動拓展到新疆域，關乎人類生存發展和人類文明的不斷延續。太空資源開發不僅將大幅減少地球補給、實現規模化深空探測與應用，也將為地球可持續發展注入新動力。近地天體的資源開發是人類開發太空資源的第一步，在此基礎上形成的資源開發能力和太空原位補給能力將為規模化和更深遠的太空經濟活動奠定基礎，最終實現太陽系全域資源開發。

展望未來，以太空資源開發為基石的太空新時代和催生的“太空新經濟”將對人類社會帶來以下幾個方面的重大影響。

（1）拓展人類生存發展新空間。通過利用地外天體原位資源，可在其他星球上獲取人類生存和活動所需的基本能源和物資。這將大大減少從地球的補給需求，降低太空探索的發射質量、成本和風險，真正在地外天體建立人類家園。

（2）促進地球綠色可持續發展。從太空獲取戰略性礦產資源，將突破地球資源制約，為地球發展打開新窗口，而且太空資源開發將實現太空工業化，形成太空礦業、太空冶金、太空製造、太空數據中心等新產業。這將為地球可持續、綠色、低碳發展提供變革性的新技術和新動力。

（3）催生太空新經濟並改變全球經濟格局。太空資源開發將觸發新技術革命，將催生自工業革命以來的又一次新供給的經濟擴張，實現商業化、規模化，形成新產業體系，形成新質生產力，從而促進未來全球經濟的快速發展。

（4）促進國際合作和人類文明和諧發展。隨着地球資源的日益枯竭，資源爭奪導致的國家間衝突將日益加劇。太空資源開發將打開近乎無限的資源寶庫，是緩解資源衝突的重要基石，將為人類命運共同體的未來發展開闢廣闊前景，促進人類文明和諧發展。

（5）建立國際新規則並形成國際新秩序。太空是人類的共同財富，但未來僅有少數科技強國具有開發太空資源的能力。需在現有國際條約基礎上，各國加強交流合作，深化對太空資源開發涉及的政治、經濟、文化、科技等多角度的認識，協商解決太空資源開發涉及的各類問題。