全太陽系資源開發(fā)，需要哪些新技術(shù)？

文/閆嘉偉

▲ 太陽系效果圖

在近期召開的中國宇航學(xué)會第一屆空間科學(xué)與試驗學(xué)術(shù)交流會上，航天專家發(fā)起了“天工開物”計劃倡議，提出了“勘、采、用”階段目標(biāo)，初步給出了2035 年、2050 年、2075 年及2100 年前全太陽系資源開發(fā)4 階段的發(fā)展路線圖。展望未來，航天人有可能在地外天體水冰開發(fā)、太空采礦、太空航班化運營等領(lǐng)域取得重要進展，為此需要研發(fā)、應(yīng)用更多航天新技術(shù)，創(chuàng)造更大價值。

令人神往的“大航天時代”

縱觀人類文明史，對自然資源開發(fā)與利用的程度決定了文明發(fā)展的高度。當(dāng)前，人類文明已發(fā)展到大規(guī)模進入宇宙的“前夜”，而太空資源開發(fā)將是實現(xiàn)可持續(xù)太空探索的重要舉措和保障。

回顧歷史，“地理大發(fā)現(xiàn)”開啟了大航海時代，海量的新興技術(shù)伴隨著迫切需求而誕生并發(fā)展成熟。比如，為了實施海上定位與導(dǎo)航，羅盤、羅經(jīng)、六分儀相繼問世，幫助船只在茫茫大海上認(rèn)清方位；快速發(fā)展的造船技術(shù)、新型多桅多帆遠洋船舶為人類克服更復(fù)雜海況、攜帶更多貨物、更快地到達目的地提供了運輸基礎(chǔ)；先進的地圖繪制技術(shù)使得人類對地球的認(rèn)識更加清晰；而紙張、火藥、新型貯存技術(shù)等，進一步幫助人類探索更加神秘危險的未知世界。隨著技術(shù)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)、勘探、利用資源的深度和廣度顯著進步，為各航海大國帶來了豐厚的利潤，更是加速了經(jīng)濟、科技、軍事、文化等領(lǐng)域變革，在客觀上驅(qū)動文明螺旋式上升。

宇宙堪稱人類的“新邊疆”，而全太陽系資源開發(fā)無疑將開啟超越大航海時代影響的“大航天時代”?？梢哉f，資源的儲量和利用程度決定了人類文明能夠延續(xù)的極限，而太陽系中的豐富資源具有巨大的開發(fā)價值，商業(yè)化、規(guī)?；奶召Y源開發(fā)將形成新的產(chǎn)業(yè)體系，改變原材料供應(yīng)和經(jīng)濟格局，并在科技、經(jīng)濟、社會、安全、政治等方面產(chǎn)生巨大影響。毋庸置疑，以太空資源開發(fā)為代表的“大航天時代”將會拓展人類生存發(fā)展新空間，創(chuàng)造人類發(fā)展史的下一個奇跡。

其實，大航海時代揭示了一個簡單的道理：獲取、開發(fā)、利用資源的綜合成本越低，參與相關(guān)活動各方的積極性越高。傳統(tǒng)上，太空探索以基礎(chǔ)科學(xué)研究、尖端應(yīng)用為主要目標(biāo)，呈現(xiàn)小范圍、高成本、以官方投入為主的特點；下一階段的全太陽系資源開發(fā)利用，預(yù)計將吸引更多社會資本自發(fā)參與，更重視商業(yè)利潤作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，與民生福祉緊密相關(guān)，很可能選擇大范圍、低成本、市場主導(dǎo)的新模式。

開發(fā)建設(shè)循序漸進

雖然理想宏偉遠大，但從技術(shù)可行性的角度出發(fā)，全太陽系資源開發(fā)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地遵循“先近后遠”的總體方針，即優(yōu)先完成勘探、采集、貯存、運輸?shù)忍栈A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，再由近及遠、分階段逐步實施地外資源的開發(fā)與利用。

對此，中國科學(xué)院院士王巍提出了“以戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)為目標(biāo)，以地外水冰資源利用為基礎(chǔ)，以兩大天體間拉格朗日點L1/L2 為節(jié)點，由近至遠、分步建設(shè)太空資源開發(fā)體系”的設(shè)想。

在資源開發(fā)順序上，逐步建設(shè)月球、近地小行星、火星、主帶小行星、木衛(wèi)星等水冰資源開發(fā)設(shè)施，逐級形成地月L1 點、日地L1/L2 點、日火L1/L2 點、谷神星、日木L1 點等太空資源補給站體系，逐漸形成全太陽系資源的探索開發(fā)能力。

在基礎(chǔ)設(shè)施上，通過建設(shè)太空資源補給站、太空資源運輸通道、地外天體采礦站、太空資源加工站、太空資源低成本返回通道等太空資源開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，逐步形成月球資源開發(fā)、近地小天體開發(fā)、火星資源開發(fā)、主帶小行星采礦、外行星探索開發(fā)以及內(nèi)行星探索開發(fā)等太空資源開發(fā)體系，具備規(guī)模化、商業(yè)化的太空資源開發(fā)利用能力。

▲ 越來越多的私營機構(gòu)參與深空探測任務(wù)

▲ 外星球采礦想象圖

就像大航海時代離不開造船業(yè)、貯存技術(shù)的快速發(fā)展一樣，未來的“大航天時代”需要重點布局空間進出、太空運輸、太空補給、太空采礦、太空資源加工等相關(guān)技術(shù)，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、地外天體采礦站、太空資源加工站等共性關(guān)鍵技術(shù)。

按照“勘、采、用”階段目標(biāo)，第一階段到2030 年，重點鞏固在地球軌道和月球上的存在；第二階段為2030～2050 年，重點擴大在月球以外的存在；第三階段為2050～2100年，將鞏固對太陽系行星與衛(wèi)星的開發(fā)利用能力。

顯然，地月空間開發(fā)將成為近未來時期的重中之重。人類開展月球探測活動已有半個多世紀(jì)了，尤其是20 世紀(jì)六七十年代美國航天員多次踏足月球表面，開展了一系列科學(xué)考察活動。近年探月成果表明，月球兩極（特別是南極）區(qū)域潛在擁有大量水冰資源，有望為人類的月球活動“自給自足”提供基礎(chǔ)；月球蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，在月球上逐步建設(shè)礦產(chǎn)與能源勘探、采集設(shè)施，建立月球長期基地與生活建筑群，將生產(chǎn)活動遷往月球，在緩解地球資源、能源壓力的同時，有望從根源上解決環(huán)境污染問題。屆時，人類將真正地大規(guī)模走出地球“搖籃”。

更進一步，利用月球的低重力特性，從月面發(fā)射運載器所需克服的重力勢能較低；月球基本上不存在大氣，使得飛行器不必考慮氣動阻力和氣動加熱，防隔熱措施可以簡化，從而提升有效運載能力。這些特點使得月球有望成為出色的深空前進基地，為人類大規(guī)?？碧浇匦⌒行?、火星、主帶小行星等提供有效支撐。

迄今，人類已觀測到約130 萬顆太陽系小行星，其中3 萬多顆接近地球軌道。Asterank 數(shù)據(jù)庫針對997顆小行星進行了價值估算，綜合考慮資源開采價值與技術(shù)可行性，認(rèn)為其中701 顆的價值超過100 萬億美元，再綜合考慮資源開采價值與技術(shù)可行性，當(dāng)前較適合開發(fā)的近地小行星至少有122 顆，總價值超過750 萬億美元。一旦月球基地建立起來，對近地小行星開展勘探活動的成本有望顯著降低，更有利于吸引商業(yè)公司廣泛參與。

勘探繪制“深空航路圖”

歷史上，“地理大發(fā)現(xiàn)”揭開了大航海時代的序幕，眾多探險家們積極探索和開辟新航路，完善了對世界的認(rèn)知，尋找到更多貿(mào)易路線與貿(mào)易伙伴，為四通八達的海上商貿(mào)航線和蓬勃發(fā)展的資本市場奠定了基礎(chǔ)。在開啟“大航天時代”之前，航天人有必要攻關(guān)外星球勘探技術(shù)，完善對太陽系的認(rèn)知，繪制更加詳細(xì)的“深空航路圖”、行星表面資源分布圖等。這些工作更是啟動大規(guī)模太空工業(yè)化的前提。

今天，民航產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟，在地面管制、飛行員及各類航空基礎(chǔ)設(shè)施配合下，民航飛機從起飛到落地都會嚴(yán)格按照航路、航點及相關(guān)規(guī)程飛行，從而保證了數(shù)量龐大的航空器有條不紊地快速轉(zhuǎn)運人員、物資。

相比之下，對于未來的“深空航路”來說，隨著航天器探索空間的極大拓展，飛行環(huán)境無疑會更加復(fù)雜惡劣，恒星及深空宇宙輻射、難以預(yù)測的隕石雨、日益泛濫的太空垃圾等都將對航天器飛行安全產(chǎn)生更大的威脅，而太空危險環(huán)境也使得事故后救援變得更加困難。

為此，航天人有必要開發(fā)出類似破冰船的深空勘探飛行器，其具備堅固的外殼，配置先進的空間、行星表面、行星地下等區(qū)域探測傳感設(shè)備，借助高速和靈活機動性，率先為人類在浩瀚的星空中探索出一條條安全的航線，在此期間不斷完善繪制沿途的星圖，記錄紛繁復(fù)雜的諸多天體特征，為后續(xù)資源開發(fā)積累充足的原始資料。

▲ 國際月球科研站概念圖

其實，現(xiàn)有的航天勘測手段已經(jīng)基本上實現(xiàn)了對外星球表層資源的信息收集，包括揭示月球極地水冰資源分布狀況，對火星表面進行甚高分辨率成像，解析近地小行星表面主要成分等。不過，現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧對外星球表面的精細(xì)探測和廣域探測。

比如，2005 年發(fā)射的火星勘測軌道器配備高分辨率相機，在10 多年內(nèi)僅掃描覆蓋了約5%的火星表面。傳統(tǒng)衛(wèi)星攜帶單一波段光學(xué)傳感器，處于行星復(fù)雜地表、氣象條件下，往往也難以獲得可靠的數(shù)據(jù)，況且還有軌道高度、傳感器性能等限制，導(dǎo)致其對外星球地表的探測效率難以滿足未來的海量需要。因此，航天人有必要開發(fā)探測幅寬更大、精度更高且具備多波段、多孔徑融合能力的復(fù)合成像系統(tǒng)，更加高效地完成外星球表面掃描。

隨著“蜂群”無人機的優(yōu)勢逐漸顯露，小型航天器借鑒其運作模式，開展外星球近地信息采集，將成為新趨勢。美國機智號火星無人機在快速掃描外星球地理信息方面做出了有益的嘗試。未來，通過大型航天器釋放眾多無人機，將外星球地表劃分為若干個探測區(qū)域，在人工智能輔助下，由無人機自主完成目標(biāo)區(qū)域的圖像、氣象、環(huán)境等信息采集，再通過先進算法對海量數(shù)據(jù)進行處理、融合，有望在短時間內(nèi)獲得外星球地表的詳細(xì)數(shù)據(jù)，極大地提高分析外星球利用價值的效率。

近年來，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、土衛(wèi)二等冰衛(wèi)星成為深空探測任務(wù)的重要目標(biāo)，在那些星球內(nèi)部很可能存在廣闊的海洋，潛藏著生命元素。航天器不僅能夠觀測其表面噴發(fā)的羽流，未來或許需要降落著陸，借助放射性同位素裝置加熱保溫，長期工作，甚至有機會鉆入冰層勘測。

采運發(fā)掘太空“聚寶盆”

工欲善其事，必先利其器。對于太空資源開發(fā)來說，只有在解決開采、運輸、通信等基礎(chǔ)問題后，才能真正進入資源實用化采集階段。

在技術(shù)原理方面，外星球資源開采可能與目前地球上的類似活動差別不大：對于外星球地表的裸露資源，可以直接挖掘采集；對于埋藏在地表下的外星球資源，在可預(yù)期的未來階段，可以選擇機械連續(xù)切割、高壓射流、激光破巖、等離子破巖掘進等方式。不過，這些工作的前提是因地制宜地解決太空開采設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性、環(huán)保性等問題。根據(jù)自身技術(shù)條件和外星球特點，權(quán)衡資源價值后，還需判斷是否有必要在當(dāng)?shù)亟⒊?精加工設(shè)施。

▲ 機智號無人機已在火星表面飛行60 多次

▲ 設(shè)想中的核動力航天器在全太陽系資源開發(fā)進程中是必不可少的

在“深空航路”建立并完善之后，有必要建立適用于航班化運輸深空資源的交通運輸系統(tǒng)。需要指出的是，當(dāng)前的航天運載工具存在諸多不足：載荷/質(zhì)量比低，運輸效率不高；自持力差，難以適應(yīng)深空遠距離運輸任務(wù)；通信時延長，深空信息傳輸時效性低……可以說，現(xiàn)役航天運載工具就像在近?；顒拥男◆澹h遠不能滿足“大航天時代”奔赴星辰大海的需求。

從技術(shù)延伸的角度來看，想要在深空大規(guī)模采集資源，可能需要在3個共性技術(shù)方面深入發(fā)展完善：一是基于當(dāng)前可重復(fù)使用的化學(xué)能火箭發(fā)動機，構(gòu)建行星地表-同步軌道的天地上/下行運輸鏈路，通過在行星表面加注燃料，完成中途補給；二是在空間核動力航天器的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展完善核電推進、核熱推進等空間核能推進，作為太陽系深空運輸工具的主要動力源；三是基于量子糾纏特性，發(fā)展深空量子通信技術(shù)，從而滿足深空通信的實時性要求。

在應(yīng)用這些基礎(chǔ)性技術(shù)成果后，深空航班化運輸可以通過設(shè)置在外星球地表、“深空航路”關(guān)鍵節(jié)點的補給站，經(jīng)由多次太空補給，完成物資轉(zhuǎn)運。形象地比喻，航天器將采用類似螞蟻搬家的方式，建立大量行星地表-同步軌道、同步軌道-補給節(jié)點-同步軌道的多級運輸體制，構(gòu)成未來空間運輸體系的基礎(chǔ)。

在這些運輸航路中，分為干線和支線兩大類。干線運輸航班主要由定期開行的核動力大型深空運載器承擔(dān)任務(wù)，具備長期深空航行和較大的貨物承載能力，類似當(dāng)前地球上的重載貨運列車，甚至?xí)鋫涑砂偕锨Ч?jié)“車廂”，以相對較低的速度換取出色的運載能力和可靠性。當(dāng)太陽系深空運輸網(wǎng)絡(luò)上分布有大量深空干線運輸航班后，各處外星球資源將實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)運，穿行于未來太空資源采集運輸“大動脈”中。值得注意的是，這些深空運載器不具備進入大氣層的能力，從而節(jié)約用于穿越大氣的防隔熱層質(zhì)量，降低技術(shù)復(fù)雜性和開發(fā)難度。

支線運輸航班由小型運載器負(fù)責(zé)，仍以可重復(fù)使用化學(xué)能火箭為主動力。此類運載器負(fù)責(zé)將資源從外星球地表轉(zhuǎn)運至同步軌道上的資源中轉(zhuǎn)站，或者將物資從同步軌道的資源中轉(zhuǎn)站進一步運輸至干線航路的物資中轉(zhuǎn)站上。它們可能需要頻繁穿越天體的大氣層，因此有必要安裝防隔熱設(shè)備，并選擇適當(dāng)大小的體格。盡管它們的有效載荷水平明顯低于干線運載器，但成本相對低廉，數(shù)量更多，可以通過高頻、快速運輸來彌補單次運力不足。

當(dāng)前，制約物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念發(fā)展的關(guān)鍵因素之一就是通信時延問題，而每次通信技術(shù)升級都會帶來時延大幅縮短。雖然無線電信號以光速傳播，但放到深空信息傳輸?shù)某叨壬峡矗燥@得“過于原始”。因此，被愛因斯坦戲稱為“鬼魅般的遙距作用”的量子糾纏特性，有望促使量子通信技術(shù)在深空通信方面發(fā)揮較大潛力。

由量子糾纏帶來的“遙距”作用，使得通信信息具備了“瞬時”到達的可能性，這對于復(fù)雜的深空運輸航路是至關(guān)重要的。在瞬息萬變的深空環(huán)境中，通過高效的量子通信手段和完善的通信網(wǎng)絡(luò)賦能，深空航班化運輸系統(tǒng)可以將不同星球的資源源源不斷地進行匯聚和分散，使得“太空聚寶盆”逐步造福人類。

開啟大規(guī)模太空工業(yè)化

隨著深空勘探、采集、運輸?shù)阮I(lǐng)域逐漸發(fā)展成熟，全太陽系資源的開發(fā)利用方式將會逐漸豐富，初期或許只是利用外星球資源“反哺”地球文明，后期將支持人類開拓地外定居點，建立太空城市，發(fā)展太空工業(yè)，甚至更進一步，探測太陽系之外。

預(yù)計隨著太陽系深空運輸網(wǎng)絡(luò)不斷延伸完善，地球?qū)Φ赝赓Y源的需求將逐漸趨于飽和。海量資源除了滿足地球的發(fā)展需要外，更重要的是打造新的“生命線”，幫助人類“走出地球搖籃”，逐步發(fā)展外星球居住城市、人造大型空間城市等宏偉遠景。

比如，在外星球表面開展工業(yè)活動，既需要本地采集資源，又需要其他星球提供資源支持，大量運輸將消耗寶貴的空間支線運力，頻繁再入行星大氣層也會提升風(fēng)險。因此，開展資源原位利用、在軌利用，將是太空工業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)。

所謂資源原位利用，指的是根據(jù)外星球氣候、環(huán)境特點，建設(shè)水冰、礦產(chǎn)等資源開發(fā)設(shè)施，通過精細(xì)化加工、冶煉，為其他工業(yè)生產(chǎn)活動提供必須的原料，從而降低對其他星球資源的依賴，節(jié)約支線運力。

至于資源在軌利用，則是深空資源利用的更高級形式。例如，空間望遠鏡陣列如果能夠在軌制造、在軌部署，必將節(jié)約大量發(fā)射成本。在全太陽系資源開發(fā)利用進入成熟階段后，供給地球、月球甚至火星等人類定居區(qū)的資源很可能僅占資源使用量的較少部分，大多數(shù)從外星球開采的各類資源、能源經(jīng)過加工處理后，被送至軌道上，為建設(shè)大型空間建筑提供保障。

為此，航天人需要針對低重力加工、組裝技術(shù)開展研究。在深空環(huán)境下，各類設(shè)備的散熱問題也面臨嚴(yán)峻考驗。相比當(dāng)前航天器采用的各類散熱方法，空間大型設(shè)備除了配備更完善的主/動散熱設(shè)備外，散熱工質(zhì)的工作環(huán)境區(qū)間也更加嚴(yán)苛。這要求航天人在新材料應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域進一步探索，針對極低溫、極高溫、大溫差等環(huán)境，研究相關(guān)的導(dǎo)熱介質(zhì)。

或許在很多人看來，全太陽系資源開發(fā)是遙不可及的。不過，正如“航天之父”齊奧爾科夫斯基所說，“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠呆在搖籃里”。人類利用地球資源，實現(xiàn)了“從襁褓中站立起來”，唯有進一步實現(xiàn)太陽系資源的開發(fā)與利用，才能邁向更加先進、成熟的文明。

▲ 巨型空間建筑想象圖