月球探索止步不前應該采取商業開采模式

北京時間 6 月 10 日消息，據國外媒體報道，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我們的鄰居星球，5 月初，美國政府允許美國商業公司在月球表面開采，最新許可令產生諸多爭議，1967 年冷戰時期，美國簽署了《外層空間公約》，禁止任何國家對地外天體擁有主權，但該公約中并未禁止對地外天體商業化開發。

2015 年，《外層空間公約》遭受了 “打擊”，當時美國奧巴馬政府簽署了《美國商業太空發射競爭力法案》，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，美國現任政府支持月球商業開發。但要實現月球商業開采，需要的不僅是一項許可令，自上世紀 60 年代首次提出月球開采構想以來，實現該目標的技術和經濟挑戰已被證明是非常艱巨的。

美國宇航局：月球探索止步不前，應該采取商業開采模式!

數十年以來，美國宇航局的月球探索計劃僅是原地轉圈，未來由實業家、工程師和科學家組成的國際團隊，將可能使將月球作為人類工業前哨的太空基地，現在政府和商業公司實驗室已規劃設計了如何實現月球采礦，緊湊型發電、太空機器人和風化層開采等關鍵環節，并稱已取得實質性進展

月球采礦的故事實際開始于兩位火箭科學先驅之間的觀點分歧，其中一位科學先驅是維爾納 · 馮 · 布勞恩(Wernher von Braun)，這位德裔美國火箭科學家先驅曾負責美國宇航局土星 5 號火箭研發設計，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聲望。

另一位科學先驅是美國物理學家杰拉德 · 奧尼爾(Gerard K。O‘Neill)，在他 1976 年出版的《高邊界(The High Frontier)》一書中，他主張人類基礎設施應當遠離行星，脫離地球引力所產生的能量消耗的需求——這是太空飛行中最困難的環節。軌道殖民基地是奧尼爾的構想，但他主張利用月球資源，建造體型龐大的旋轉空間站。

炙手可熱的月球商業采礦計劃真的靠譜嗎?

2、月球采礦的故事實際開始于兩位火箭科學先驅之間的觀點分歧，其中一位科學先驅是維爾納__馮__布勞恩(Wernher von Braun)，這位德裔美國火箭科學家先驅曾負責美國宇航局土星 5 號火箭研發設計。

藍色起源公司創始人杰夫 · 貝佐斯(Jeff Bezos)強烈支持這一想法，甚至在 2019 年 5 月 “藍色月球登陸器”發射過程中還倡導實現奧尼爾的軌道基地。而 SpaceX 馬斯克的終極目標是在火星表面建立殖民基地，逐漸實現載人火星任務的夢想，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，對月球探索開發的興趣并不大。隨著美國宇航局加大太陽系的探索力度，關于月球探索的觀點分歧將逐漸平息，月球采礦支持者最擔心的是上世紀 70 年代登月計劃重演，他們認為：如果我們通過外星球工業支持地球經濟發展，那么我們就可以創造一個太空經濟環境，使未來火星任務的成本大幅降低，變得切實可行。同時，如果太空技術發展太快，跳過地月太空工業建設，那么未來的火星任務也將基礎不牢，以另一個阿波羅時代的方式告終。

月球資源有啥?

即使月球采礦支持者希望未來人類采集月球資源，但迄今科學界仍未對如何開采月球資源達成一致意見。甚至最基本的問題——什么物質應當被提取和銷售，也隨著時間的推移而改變。無可否認，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生了變化：如果通過月球資源直接獲利，而不是重點關注月球資源市場，將會怎樣?該開采模式下選擇的最佳月球資源是氧氣。按照質量進行計算，月球含氧量為 42%，而太空飛行最大費用就是發射時的氧燃料。

該觀點是采集氧氣作為太空燃料，并用于生命維持系統，但仍需從地球運輸大量氫氣。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域進行采集，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，近些年科學家才發現月球潛在著大量冰物質，人們可將水分解成氫和氧，這是已知最有效的化學推進劑，也可用于制造火箭燃料。

炙手可熱的月球商業采礦計劃真的靠譜嗎?

一種方案是在隕坑深處建造一個小型核反應堆，并取得了一些技術突破。

這一切都歸結到如何采集太空冰，月球是地球最親密的鄰居，是地球的衛星，從 1994 年發射 “克萊門汀號”環月軌道探測器至近年發射的月球勘測軌道飛行器，現已有多顆遙感宇宙飛船環月飛行，并且在深不見底的月球隕坑中發現大量永久冰。

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的月球隕坑，之后另一顆探測器對撞擊濺射物質進行取樣分析，發現濺射物質中 5% 是水，因此推測月球永久陰影區隕坑中存在冰，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，與一些新太空公司建立合作關系，計劃發射一些探測器探索月球。商業月球有效載荷服務(CLPS)首個機器人任務將于明年發射，之后還會有更多的任務。著陸器將配備鏟子和分光儀采集月球化學成分，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是 2022 年發射的 “蝰蛇號”探測器，它將調查分析月球極地揮發性物質，該探測器還配備了鉆頭等多個設備，這部汽車大小的探測器將繪制首張月球水資源地圖。

蝰蛇號將提供關于月球水冰分布、豐富程度、形狀和表面環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)宇航員著陸地點或者類似位置，該勘測任務將清晰呈現月球南極狀況，證實月球南極是否是人類可以登陸和生活的區域。

這些太空任務獲得的信息有助于實現建造月球人類基地，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，勘測月球隕坑內部將獲得重要線索。

從發現階段進入至特性描述和驗證階段

雖然一些月球勘測數據很重要，但當前沒有商業月球有效載荷服務(CLPS)任務，探測可能存在較多水冰物質的隕坑。月球隕坑采礦提倡者希望獲得更多精確數據開展勘測，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，以及它們是如何與風化層混合在一起。

炙手可熱的月球商業采礦計劃真的靠譜嗎?

熱采礦法是將足夠高溫度的熱量直接施加至月球表面，將冰轉化為水蒸汽

哪里有挑戰，哪里就有航空工程師研究相關的解決方案，洛克希德 · 馬汀公司正在贊助一支研究團隊，用于研制一種叫做 “維里塔斯(Veritas)”的探測器，該公司將發射 “麥肯德利斯號”月球登陸器致力實現商業月球有效載荷服務，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射 6 個小型、裝滿傳感器的 “松鼠”包裹，使用探地雷達和傳感器系統的勘測數據，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行廣域勘測。

一旦發現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，該發現將演變為商業太空競爭和國家太空規劃。

月球探索炙手可熱

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已設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，將冰轉化為水蒸汽，本質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模，推進劑生產設備重量為 26 多噸，每年可生產 1100 噸推進劑燃料，可開發部署在月球表面，成本大約 25 億美元。初步商業案例分析顯示，如果推進劑生產運行時間至少為 10 年，那么依據商業和政府對推進劑的需求(包括幫助地球同步衛星到達最終軌道的最高階段)，可實現產能正回報。

直接加熱使冰升華的效果已在含冰風化層樣本中得到證實

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水平將冰轉化為蒸汽。初步估算顯示，工業規模熱采礦處理需要 2.8 兆瓦電力，問題的關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堆，目前美國宇航局致力于該技術的研發，并取得了一些技術突破。2018 年，美國洛斯 · 阿拉莫斯國家實驗室、內華達國家安全站和美國宇航局合作，使用斯特靈技術千瓦反應堆(KRUSTY)實現 28 小時全功率電能供應。

美國宇航局喜歡這種裂變反應堆，因為它可以連接至斯特林發動機，這是一個封閉循環、能量可再生設備，并且使用壽命長，維護費用低，是一種能有效為外太空熱采礦作業提供動力的能源制造方案。

然而，斯特靈技術千瓦反應堆使用的是 Y-12 高濃縮鈾(HEU)作為燃料來源，HEU 反應堆更輕，像這樣的緊湊型動力源在太空環境中具有一定優勢，但是該設施很容易轉換為改良型核設備，其使用過程必須充分考慮后勤保障和嚴格的安全監督。

由于這些原因，過去幾年時間里科學家研制一批小型、商用低濃縮鈾(LEU)反應堆，它們被稱為微型模塊反應堆，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應用于太空領域。

超安全核能公司(UltraSafe Nuclear Corp)就是其中一家公司，該公司銷售 LEU 裂變反應堆，并制造一種 “Pylon”反應堆。公司研究人員指出，在永久陰影隕坑中勘探月球資源，并利用熱能處理當地資源非常適合核能開發利用，然而盡管反應堆提供電能的前景非常好，具有很廣闊的開發潛力，但出于技術發展和政策限制，核能開發經常被排除在考慮范圍之內。目前，相關研究機構表示，太空核能研發技術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行開采，超安全核能公司非常明確地表示，該公司的產品符合該項太空任務的要求規格，“Pylon”反應堆就可以，未來可通過一個大型商業月球有效載荷服務著陸器將該反應堆運送到月球表面。

核能開發

炙手可熱的月球商業采礦計劃真的靠譜嗎?

歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統，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

在過去半個世紀里，人們一直在考慮如果開發月球資源，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，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。

該系統僅需將風化層物質加熱至 950 攝氏度，而不是融化表層土。依據歐洲航天局的觀點，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化層提取可用的金屬合金。

英國格拉斯哥大學貝斯 · 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。據悉，洛馬克斯的技術研發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，希臘數學家阿基米德利用鏡面反射陽光點燃入侵者的木船。依據相同原理，在月球隕坑邊緣設置定日鏡(可移動的鏡面)，可以將陽光直接照射在冰冷的風化層。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粒冰的跡象，淺層隕坑產冰量較小，可能僅有 2%，相比之下，深層隕坑產冰量較高，大約 5%，但是深層隕坑采集作業帶來諸多挑戰，尤其是高等級供電需求，對淺層隕坑進行更簡單的 “挖掘 - 篩選”系統可使月球首個采冰礦井開始運轉。

在科幻電影中月球采礦似乎是不可能完成的任務，但目前基于成熟的技術和方案，科學家們已構想了如何從月球上采集寶貴資源。在國家政府和航天機構的支持下，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知。