太空採礦，離現實還有多遠（瞰前沿）

圖①：華中科技大學提出的月球玄武基地方案模擬圖。

華中科技大學供圖

圖②：太空採礦機器人試驗機。

中國礦業大學供圖

浩瀚宇宙中藴藏的豐富資源，一直吸引着科學家去探尋。前不久，中國礦業大學研製出我國首台太空採礦機器人，這一科技突破，再次引起人們對太空資源的關注。為了追逐太空採礦夢想，科學家在太空資源勘查、鑽孔技術及原位利用等方面開展了一系列探索研究。“星際礦工”如何採礦？本期“瞰前沿”，我們就來看看太空採礦離現實還有多遠。

——編 者

為什麼去？

既能獲取地外資源，也能牽引深空探測技術發展

人們嚮往太空採礦，最直接的需求是獲取太空資源，以應對未來地球礦產資源可能枯竭的難題。

太空有哪些資源？遠的不説，月球、太陽系中的小行星等就藴藏着豐富的資源，其中一些還是地球缺乏的。科學家發現，月壤含有豐富的太陽風氣體，其中有可控核聚變的重要原料——氦—3；月球上廣泛分佈的克里普巖，富含釷元素和稀土元素，且儲量很可觀。

在木星和火星軌道之間有一個小行星帶，主要由岩石和金屬構成的小天體組成。這些小天體富含鐵、鎳、鈷、鉑族金屬等，以及水冰和氫氧化物，可用於太空基建、能源供應和生命支持等。

太空採礦的意義不止於此。“太空採礦與空間技術、採礦學、空間信息科技以及天文學、行星科學等密切相關，能夠牽引科技與太空探索的發展。”中國礦業大學機電工程學院教授劉新華説。

近地小行星因其資源集中、開發潛力大且技術門檻較低，成為科學界關注的熱點。劉新華介紹，小行星帶中的鉑族金屬儲量驚人，一顆直徑1公里的小行星可能藴含1億噸鉑，潛在開採價值很高。

哪些太空資源值得開採？在廣東深圳科學技術館館長、深圳理工大學教授鄭永春看來，太空資源主要包括兩方面，即地球上稀缺的、值得花巨大代價去開採的一些高價值資源，以及長期太空生活所需的資源（比如有機物、水）。“有的資源從地球上帶過去，成本非常高，必須原位利用。”鄭永春説。

哈勃望遠鏡曾對小行星帶內的靈神星進行光譜分析，發現它的金屬含量高達82.5%，且這些金屬大多暴露在表面。

鄭永春解釋，小行星是太陽系形成之後的殘留物，有的以岩石為主，有的以金屬為主。據估計，靈神星的主要成分是硅酸鹽岩石和鐵、鎳等金屬。

難在哪兒？

深空通信、能源供應、運輸物流等環節都面臨巨大挑戰

太空採礦是一個長期的、極其複雜的系統工程。

首先是微重力環境作業的挑戰。小行星質量相對較小，引力極低，有的甚至接近零重力。傳統採礦設備在這樣的環境裏難以穩定作業，可能因反作用力而失控，礦石採集運輸效率極低。

“我們團隊開發的太空採礦機器人，其基本形態為6足模式，有3個輪足和3個爪足，主要是為了適應太空中的微重力環境。”劉新華説，為解決失重帶來的漂移，科研團隊模擬昆蟲的爪刺結構，設計了特殊的爪刺足。

除微重力的問題外，太空採礦工作還要面對原位資源利用的技術限制、極端輻射等情況，以及深空通信、能源供應、運輸物流等困難，每一個都是巨大的挑戰。

以能源供應為例，傳統的深空探測依賴太陽能，深空或小行星帶光照弱，太陽能電池效率大幅下降。小型核反應堆仍處於試驗階段，穩定性和安全性有待驗證。“長期任務依賴可持續能源，現有技術難以滿足高能耗需求。”劉新華説。

“將礦石從深空運回需克服巨大引力場，燃料消耗成本極高；若資源用於建設月球和火星基地，需建立軌道中轉站和可重複運輸系統，目前技術成熟度低。”劉新華説。

為解決一系列難題，劉新華教授團隊在實驗室模擬近地小行星環境，在地面對太空採礦機器人工作進行驗證。結果顯示，該機器人結合輪足與爪足設計，能夠適應月球和小行星的複雜地形，集移動、錨固、鑽探和採樣功能於一體，可同時處理多種資源。另外，通過模擬微重力的懸掛機構，測試了該機器人運動特性的可行性。

“太空採礦成本主要與運載能力相關。”鄭永春説，大幅度降低從地球到太空之間的運輸成本，是“星際採礦”的前提，因此實現火箭重複利用非常關鍵。

前景如何？

相關研究處於初級階段，科學家從資源勘查、鑽孔技術等多方面開展探索

有關太空採礦的研究目前仍處於初級階段。經過半個多世紀的深空探測，人類積累了較為豐富的資料及前期技術，其中部分技術經過改造、深化，未來可用於太空採礦，例如資源勘查、鑽孔技術及原位資源利用等。

在太空採礦裝備的研發方面，劉新華説，國際科學界推進的研發主要集中在自主機器人、原位資源利用、微重力環境作業、高效能源系統和材料技術等領域。例如，日本和美國成功驗證了小行星採樣技術；美國國家航空航天局專為月球採礦設計了機器人，配備旋轉挖掘臂，可在低重力環境下高效採集月壤。

“短期內，試驗性開採將以月球和小行星為目標，推動技術驗證和商業化探索；中長期來看，太空採礦有望實現規模化，支持月球和火星基地建設，並催生太空經濟。”劉新華説。

鄭永春認為，太空採礦的主要目的是滿足未來人類在太空中長期生活的需求，比如建立月球基地、火星城市等。“很大程度上，太空探索的進展程度取決於人類的決心。太空探索的投入似乎看不到產出，但會對科學發現和技術進步產生巨大的帶動作用，從而產生巨大的經濟和社會價值。”

太空採礦機器人的未來形態是什麼樣？

在劉新華的設想中，它是全自主的“太空工廠”，即具備自修復能力與跨天體適應性，可以遠程操控，或通過腦機接口實現人機深度融合。要實現這些，有賴於人工智能、材料科學和能源技術等方面的突破，以及全球太空資源開發上的深度合作。

太空採礦機器人目前仍處於持續完善中。“團隊將圍繞模塊化、智能化和資源高效利用等方面持續優化。”劉新華説。