早在 1969 年，人類就已經(jīng)通過美國 “阿波羅計(jì)劃”首次成功登陸月球，并在接下來的 3 年里，陸續(xù)將 12 位宇航員成功送上月球。這段密集的探月浪潮源于1958年至 1976 年的美蘇空間競賽，兩國先后發(fā)射了上百個(gè)月球探測器。然而 “阿波羅計(jì)劃”結(jié)束后，探月競賽熱度漸冷，人類探索月球的腳步也逐漸放慢，在 1976 年至 1994 年間，全球只有日本進(jìn)行過 1 次探月活動(dòng)。2003 年 9 月，歐空局第一個(gè)飛向月球的探測器 SMART-1 衛(wèi)星發(fā)射升空，并于 2006 年 9 月 3 日成功撞擊月球表面。
新一輪探月熱情在上世紀(jì) 90 年代被迅速點(diǎn)燃。美國于 1994 年 1 月 21 日和 1998 年 1 月 6 日分別發(fā)射的 “克萊門汀”號(hào)、“月球勘探者”號(hào)探測器，發(fā)現(xiàn)月球兩極存在大量水冰，隨后更多的國家加入了探月大軍。2007 年至 2008 年，人類探月的腳步加快，包括日本的第二個(gè)月球飛行器 “月亮女神”、中國第一個(gè)月球飛行器嫦娥一號(hào)成功進(jìn)入月球軌道，印度的月船 1 號(hào)也緊隨其后。
目前美國已經(jīng)成功登月 6 次，并計(jì)劃在 2024 年再次載人登月。而我國雖起步較晚，但探月進(jìn)程也在大步趕上。在 2004 年正式開展月球探測工程之后，包括嫦娥一號(hào)至四號(hào)探測器的 “無人月球探測”階段進(jìn)展順利，“載人登月”階段的工作業(yè)已提上日程。日前俄通社還曾報(bào)道，俄羅斯航天局局長表示，俄羅斯很可能與中國一起，在月球上建立聯(lián)合研究基地。
然而雖然人類在 50 年前即已登陸月球，但時(shí)至今日，依舊還未真正搞清楚開發(fā)這一鄰居星球的最佳方案。今年 5 月初，美國政府允許本國商業(yè)公司在月球表面開采，似乎為月球表面商業(yè)開發(fā)打開了一扇大門。而這一舉動(dòng)究竟是人類月球開發(fā)的新起點(diǎn)，還是打開潘多拉魔盒的第一步？
美國激進(jìn)的商業(yè)開采計(jì)劃
許多月球商業(yè)化開發(fā)支持者都未曾想到能等到這一時(shí)刻的到來，美國政府對月球商業(yè)開發(fā)產(chǎn)生濃厚興趣，從這個(gè)角度來看，未來月球商業(yè)前景非常樂觀。
美國政府這一最新許可令也產(chǎn)生了諸多爭議，1967 年冷戰(zhàn)時(shí)期，美簽署了《外層空間公約》，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，《外層空間公約》遭受了 “打擊”，當(dāng)時(shí)奧巴馬政府簽署了《美國商業(yè)太空發(fā)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)月球商業(yè)開采，需要的不僅是一項(xiàng)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(shí)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(jì)劃僅是原地轉(zhuǎn)圈，未來由實(shí)業(yè)家、工程師和科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)，將不畏艱險(xiǎn)，能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(shí)驗(yàn)室已規(guī)劃設(shè)計(jì)了如何實(shí)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)，均已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，該計(jì)劃不僅有效，而且具有可行性。
“新千年，舊戰(zhàn)役！”
維爾納 · 馮 · 布勞恩
月球采礦的故事實(shí)際開始于兩位火箭科學(xué)先驅(qū)之間的觀點(diǎn)分歧，其中一位科學(xué)先驅(qū)是維爾納 · 馮 · 布勞恩，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(hào)火箭研發(fā)設(shè)計(jì)，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，在他 1976 年出版的《高邊界》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。
藍(lán)色起源公司創(chuàng)始人杰夫 · 貝佐斯強(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(shí)現(xiàn)奧尼爾的軌道基地。
美國佛羅里達(dá)大學(xué)資深行星物理學(xué)家菲利普 · 梅澤爾稱，據(jù)我所知，我們從未做過科學(xué)研究或者調(diào)查，但我認(rèn)為美國宇航局更傾向于布勞恩的觀點(diǎn)。據(jù)悉，他在美國宇航局工作了 30 年。
而同樣是太空探索巨頭的馬斯克盡管從未承認(rèn)過這一點(diǎn)，但他的終極目標(biāo)是在火星表面建立殖民基地，逐漸實(shí)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，并未引起他足夠大的興趣。
目前美國宇航局希望能將第一批人類送上火星，他們對月球探索開發(fā)的興趣同樣并不大。
而中國則正在有條不紊的實(shí)踐探月計(jì)劃，載人登月、開發(fā)月球也在計(jì)劃之內(nèi)。據(jù)《科技日報(bào)》報(bào)道，去年 11 月 1 日中國航天科技集團(tuán)公司科技委主任包為民曾透露，中國將力爭在本世紀(jì)中葉建成地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)。
報(bào)道稱，地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)的范圍主要集中在近地空間、月球引力空間和地月轉(zhuǎn)移空間，其業(yè)態(tài)包括基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)、開發(fā)與利用產(chǎn)業(yè)、拓展產(chǎn)業(yè)，將由航班化地月空間運(yùn)輸體系、空間資源探測與開發(fā)體系、空間基礎(chǔ)設(shè)施體系三大體系組成。有專家預(yù)測，到 2050 年前后，中國每年在地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)的總產(chǎn)值可達(dá) 10 萬億美元以上規(guī)模。
歐盟和日本也在緊鑼密鼓地準(zhǔn)備月球采礦行動(dòng)。2019 年 1 月 21 日，歐洲空間局宣布已就月球采礦技術(shù)與歐洲火箭制造商阿麗亞娜集團(tuán)簽署了一份為期 12 個(gè)月的合同，并計(jì)劃于 2025 年開始相關(guān)探測任務(wù)。阿麗亞娜集團(tuán)表示，該任務(wù)的目的是提取月球表層風(fēng)化土。
日本月球探測初創(chuàng)伊空公司專家也曾公開表示，目前已經(jīng)可以運(yùn)送設(shè)備并在月球表面著陸，勘探技術(shù)設(shè)備包括漫游車和著陸器，能夠攜帶設(shè)備勘探月球水和氧等資源。伊空公司計(jì)劃了兩項(xiàng)月球行動(dòng)，首次行動(dòng)是在 2021 年，將在月球赤道上放置漫游車，第二次行動(dòng)是 2023 年在月球南極開展。
隨著人類加大太陽系的探索力度，關(guān)于月球探索的觀點(diǎn)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(jì)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(gè)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(shí)可行。同時(shí)，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(gè)阿波羅時(shí)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(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(shí)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(jià)銷售。
隨著時(shí)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(diǎn)關(guān)注月球資源市場，將會(huì)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(jì)算，月球含氧量為 42%，而太空飛行最大費(fèi)用就是發(fā)射時(shí)的氧燃料。
該觀點(diǎn)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(shí)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(shí)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。
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(hào)”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。月球與行星研究所科學(xué)家朱莉 · 斯托普（Julie Stopar）說：“現(xiàn)在我們正處于一個(gè)探索時(shí)代，從發(fā)現(xiàn)階段過渡至定性和驗(yàn)證階段。”
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(jì)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(gè)機(jī)器人任務(wù)將于明年發(fā)射，之后還會(huì)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(hào)”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(gè)設(shè)備，這部汽車大小的探測器將繪制首張?jiān)虑蛩Y源地圖。
蝰蛇號(hào)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(diǎn)位于‘阿爾特米斯’號(hào)（美國宇航局載人航天任務(wù)）宇航員著陸地點(diǎn)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(shí)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)將支持未來月球商業(yè)開采的發(fā)展，一些信息有助于實(shí)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(shí)、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。
我們正從發(fā)現(xiàn)階段進(jìn)入至特性描述和驗(yàn)證階段！
目前人類還沒有一個(gè)很好的月球資源模型，在月球上獲得的任何勘測數(shù)據(jù)都有助于增強(qiáng)人類對月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知了解。
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，我們從未在月球永久陰影區(qū)域著陸，使用靈敏儀器取樣，并高度肯定月球水冰的存在，事實(shí)上，我們?nèi)圆恢涝虑虮鶎拥木唧w狀態(tài)，以及它們是如何與風(fēng)化層混合在一起。
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(duì)，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(hào)”月球登陸器致力實(shí)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(gè)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(shí)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(xiàn)已設(shè)計(jì)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(huì)被收集在一個(gè)較大的遮篷中，重新冷凍然后運(yùn)送到一個(gè)電解站，在那里冰會(huì)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，報(bào)告稱，創(chuàng)新概念研究中，直接加熱會(huì)使冰升華，證明熱采礦法是切實(shí)可行的。
同時(shí)，該研究報(bào)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(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)能正回報(bào)。
直接加熱使冰升華的效果已在含冰風(fēng)化層樣本中得到證實(shí)
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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn) 28 小時(shí)全功率電能供應(yīng)。
美國宇航局喜歡這種裂變反應(yīng)堆，因?yàn)樗梢赃B接至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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。
如果未來美國宇航局計(jì)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(xiàng)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(gè)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)
在過去半個(gè)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(gè)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(gè)金屬籃子中作為電解液，之后再加熱。
歐洲航天局正在研制一種熔鹽電解系統(tǒng)，它被稱為 “首個(gè)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(gè)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(diǎn)，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(gè)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(gè)觀點(diǎn)是由索爾斯提出的，他借鑒了古代鏡面反射原理，希臘數(shù)學(xué)家阿基米德利用鏡面反射陽光點(diǎn)燃入侵者的木船。依據(jù)相同原理，他計(jì)劃在月球隕坑邊緣設(shè)置定日鏡（可移動(dòng)的鏡面），可以將陽光直接照射在冰冷的風(fēng)化層。索爾斯認(rèn)為，在隕坑邊緣每隔 120 度分別放置 3 個(gè)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(shí) 2 個(gè)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(gè)觀點(diǎn)完全不同于熱采礦法，梅澤爾基于美國宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念基金資助下研究淺層隕坑中含有細(xì)粒冰的跡象，他說：“如果是這樣的話，那么我認(rèn)為最簡單的提取方法就是進(jìn)行顆粒分類?！?/p>
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(gè)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。如果各國政府加大投資，人類就有希望啟動(dòng)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。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。