全太陽系資源開發(fā)，需要這些新技術(shù)！

近日，我國航天專家提出了全太陽系資源開發(fā)路線圖。未來，地外天體水冰資源開發(fā)、外星球采礦、太空航班化運(yùn)營等任務(wù)都呼喚更多航天新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用，以創(chuàng)造更大價(jià)值。相比航天史上的太陽系內(nèi)探測任務(wù)，未來太陽系資源開發(fā)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)哪些宏偉目標(biāo)？需要哪些新技術(shù)助力？科研人員又需要克服哪些挑戰(zhàn)呢？

外星球冰層下海洋探測器想象圖

“天工開物”布局大開發(fā)

不久前，中國宇航學(xué)會(huì)第一屆空間科學(xué)與試驗(yàn)學(xué)術(shù)交流會(huì)在北京召開。會(huì)上，中國科學(xué)院院士王巍作《太空資源開發(fā)體系發(fā)展設(shè)想》報(bào)告，并發(fā)起“天工開物”計(jì)劃倡議。

報(bào)告提出了以戰(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(diǎn)L1/L2為節(jié)點(diǎn)，由近至遠(yuǎn)、分步建設(shè)太空資源開發(fā)體系的設(shè)想。

一方面，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(jí)建設(shè)涉及月球、火星、谷神星、木星等太空資源補(bǔ)給站體系，具備全太陽系資源的探索開發(fā)能力。

另一方面，擬建設(shè)太空資源補(bǔ)給站、太空資源運(yùn)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基礎(chǔ)設(shè)施，逐步形成涉及月球、近地小天體、主帶小行星、行星等太空資源開發(fā)體系，具備規(guī)?；⑸虡I(yè)化太空資源開發(fā)利用能力。

此外，重點(diǎn)布局空間進(jìn)出、太空運(yùn)輸、太空補(bǔ)給、太空采礦、太空資源加工技術(shù)，重點(diǎn)突破低成本資源返回、航班化空間資源運(yùn)輸、太空資源補(bǔ)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)。

總之，報(bào)告提出了“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階段發(fā)展路線圖，推動(dòng)我國太空資源開發(fā)利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。

為了達(dá)成這些宏偉目標(biāo)，航天人有必要大膽創(chuàng)新，研發(fā)、應(yīng)用一系列新技術(shù)。

勘探，深入了解太陽系

開發(fā)太陽系資源，首要任務(wù)的就是對(duì)地外天體進(jìn)行足夠精確的勘測。

現(xiàn)有的航天勘測手段已實(shí)現(xiàn)了對(duì)外星球表層資源的信息收集，包括借助探測器揭示月球極地水冰資源分布狀況，對(duì)火星表面甚高分辨率成像，使用地基雷達(dá)，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(duì)外星球表面的精細(xì)探測和廣域探測。比如，火星勘測軌道器的高分辨率相機(jī)在10多年內(nèi)僅掃描覆蓋了約5%的火星表面。未來，在勘探太陽系資源的征程中，更大幅寬、更高精度的成像探測系統(tǒng)必不可少。

更進(jìn)一步，對(duì)地外天體深處的資源勘測也是有待開發(fā)的新領(lǐng)域。在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二、海衛(wèi)一等巨行星的衛(wèi)星表面厚厚冰層下，得益于衛(wèi)星內(nèi)部殘存熱量和巨行星引力作用，很可能存在廣闊的海洋。未來，這些地下海洋不排除幫助補(bǔ)給執(zhí)行深空任務(wù)的航天器，甚至用于補(bǔ)充地球上的水資源。

不難想象，勘測這些冰衛(wèi)星，需要使用鉆機(jī)和潛航器，通過加熱融冰來穿透數(shù)公里厚的冰層，遨游地下海洋。這些設(shè)備有必要借助放射性同位素裝置來維持長期工作狀態(tài)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和綜合成本。

此外，更強(qiáng)大的地基和天基雷達(dá)將進(jìn)一步勘測近地小行星和主帶小行星的資源成分，并判斷它們是否具備開發(fā)價(jià)值。

考慮到遙遠(yuǎn)距離與未知的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境，基于人工智能的無人探測器將成為勘測“先鋒”，盡量以較低成本收獲更多成果，為建立有人駐留的深空前哨站打基礎(chǔ)。為了適應(yīng)惡劣的地外天體輻射環(huán)境，無人探測器的人工智能算力和通信能力必須不斷升級(jí)。

采集，大規(guī)模進(jìn)入太空

如今，探測器已實(shí)現(xiàn)了月球采樣返回，火星采樣返回任務(wù)正在加緊推進(jìn)。不過，相比科研性質(zhì)的少量采樣，未來地外天體資源持續(xù)開采總量必然顯著增加。為此，航天人有必要掌握大規(guī)模進(jìn)入太空的能力，擁有足夠強(qiáng)大的太空運(yùn)力。

綜合效益較高、可重復(fù)使用的重型火箭和航班化空天運(yùn)輸工具應(yīng)該能“拔得頭籌”。它們將使用化學(xué)能，分批次執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)，實(shí)施集成組裝，建成比國際空間站更龐大宏偉的太空設(shè)施。不過，在頻繁的深空飛行中，化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)比沖有限，推進(jìn)效率不高，有必要應(yīng)用更高效的基于太陽能和核能的推進(jìn)技術(shù)。

眾所周知，太陽輻射強(qiáng)度隨著航天器遠(yuǎn)離而急劇減弱，超出木星軌道后，太陽翼發(fā)電效率難以滿足任務(wù)需求。未來，應(yīng)用新技術(shù)，借助反射器，強(qiáng)化匯聚至太陽翼上的陽光，理論上可以將太陽翼應(yīng)用擴(kuò)展至土星軌道。

核動(dòng)力航天器很可能是常態(tài)化太陽系內(nèi)航行的必備選擇。由于核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核聚變推進(jìn)等方案的技術(shù)成熟度低，核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)似乎更加現(xiàn)實(shí)。

核電推進(jìn)火箭執(zhí)行深空任務(wù)想象圖

核熱推進(jìn)的原理是使氫等工質(zhì)直接流過反應(yīng)堆堆芯加熱，形成推力，早在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了初步試驗(yàn)。國外核燃料濃度較低的核熱火箭有望在5年內(nèi)首飛，目標(biāo)包括驅(qū)動(dòng)航天器2年內(nèi)抵達(dá)木星，3年內(nèi)到達(dá)土星。

但核熱推進(jìn)目前存在一些難題，比如啟/停耗時(shí)過長。此外，反應(yīng)堆堆芯燃料棒在連續(xù)運(yùn)行下可能產(chǎn)生異常蠕變、包層碎裂、強(qiáng)度下降等問題，多次啟動(dòng)和連續(xù)工作時(shí)間受限。

核電推進(jìn)需要使用復(fù)雜精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主動(dòng)循環(huán)制冷工質(zhì)，又缺乏冗余備份，導(dǎo)致在深空環(huán)境下可靠性差，工作壽命往往只有數(shù)十天，巨大的散熱裝置也會(huì)造成航天器“超重”。

實(shí)際上，航天器在外星球表面大規(guī)模開采資源，必須克服巨大挑戰(zhàn)，比如發(fā)展更出色的柔性機(jī)械臂等，更需要在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)領(lǐng)域取得進(jìn)步。

除了推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新外，新穎的航天器設(shè)計(jì)思路有望投入實(shí)踐。比如，航天人可以考慮借助推力器等，“搬運(yùn)”蘊(yùn)藏有足夠資源的小天體靠近地球，簡化航天器著陸或采樣設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)而攻關(guān)航天器和小天體的組合體控制技術(shù)。

利用，整體邁上新臺(tái)階

太陽系資源深入開發(fā)階段，采集獲取的空間原料將不再被完全運(yùn)回地球，而是盡量在軌轉(zhuǎn)化為可利用的資源。

比如，科研人員正論證將外星球的水冰資源電解生成氫、氧等，供給航天器或者太空工作者；將采集的原礦提煉為可以直接使用的金屬資源，甚至加工成配件，在軌組裝航天器；使用火星表面的二氧化碳、氫氣等，通過薩巴蒂爾反應(yīng)，生成甲烷，進(jìn)一步合成有機(jī)物甚至食物；航天器材料和智能化進(jìn)步后，可以考慮從富集放射性原料的外星球上采集核原料，生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料棒，或者從巨行星的大氣中提取稀有氣體和電推進(jìn)工質(zhì)。

總之，隨著深空任務(wù)航天器廣泛部署和太空基建逐漸完善，地外天體資源更多將被用于支持前哨站運(yùn)作，有時(shí)候運(yùn)回地球反而得不償失。當(dāng)前，多國航天已經(jīng)或即將實(shí)施月球、火星等外星球原位資源利用試驗(yàn)，有助于探索地外天體資源開發(fā)的新模式。

外星球采礦場景想象圖

發(fā)展外星球原位資源利用，開展太空生產(chǎn)活動(dòng)，將是未來太陽系資源開發(fā)的趨勢，能源供給難題不容忽視。為此，有必要建設(shè)空間太陽能發(fā)電站等太空基礎(chǔ)設(shè)施，幫助航天器和太空工廠簡化設(shè)計(jì)。

散熱將是太空工廠面臨的又一個(gè)問題：輻射散熱效率較低，在缺乏液體和大氣的外星球上高溫冶煉金屬，風(fēng)險(xiǎn)較大。這樣看來，太空工廠適合建在擁有大氣的火星、土衛(wèi)六等天體上。

暢想未來，如果生產(chǎn)精密器件的太空工廠成真，或許航天人可以利用無重力環(huán)境，打造“太空船塢”，組裝一些在地球環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)的巨大航天器，支持更遠(yuǎn)的航行或者運(yùn)輸更多貨物。

航天事業(yè)已成為各國爭相投入的“希望領(lǐng)域”，因?yàn)榻鯚o限的空間資源以及探索、開發(fā)過程中取得的技術(shù)成果，都代表著國家發(fā)展和戰(zhàn)略競爭中的光明未來。隨著技術(shù)進(jìn)步，太空資源開發(fā)的構(gòu)想正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，航天人仍需在持續(xù)投入下繼續(xù)努力。（作者：張晨）