小天体资源开发利用现状分析与发展建议

黄江川,王冀莲,杜宇,孟林智,张晓静

(1.中国空间技术研究院,北京 100094;2.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

太空是人类继陆地、海洋和大气之后开拓的第四活动空间,是探索科学新发现、增进与展示新技能、特殊资源开发与利用的国际竞争制高点和试验场。随着地球资源日益面临枯竭之虞,人类在地球环境实现长期可持续发展方面面临巨大挑战。于是人类将目光投向了外空资源,月球、小天体、火星,乃至更远的深空。小天体是近期外空资源开发最有价值的目标之一,也是远期太空探索“天然的跳板”。

如今,飞速发展的航天技术使得人类的野心不再是痴人说梦,小天体资源开发与利用是航天事业发展和空间应用的前沿领域,也是近年来国际空间外交舞台及各国航天科技界、空间法学界的热议话题。美国、欧空局等空间大国和国际组织已经从国家实践、空间政策、国际合作等方面成为了外空资源开发与利用的先驱者。与此同时,美国[1]、卢森堡[2]等国家也从政府层面通过立法对商业航天企业开展小天体资源开采的行为提供了法律保障和依据,以小天体资源开采为目标的商业航天企业也以前所未有的速度和规模发展,正在深刻影响世界航天的发展格局,也揭开了太空“大航海”时代的序幕。

2 小天体资源概况

小天体是太阳系形成时的残留碎片或大行星毁灭后的残骸。在太阳系内,大约有100万颗直径1km以上的小天体。这些小天体中蕴藏着储量巨大的稀缺矿产、贵金属和水及其他挥发成分等资源,目前可供开发的小天体主要包括近地小行星和分布在火星和木星轨道之间的主带小行星,尤其是许多近地小行星在能量方面相对容易到达,并且具有非常低的表面重力,非常有利于将提取到的资源转移到地球或近地轨道上,可大大降低开发的成本[3]。

图1 小天体资源概况及主要应用Fig.1 Overview and main applications of small celestial bodies resources

金属类M型小行星 (数量约占近地小行星总数的百分之几)主要有铁-镍合金组成,不同金属型小天体铁和镍比例有所不同,其中铁含量有的可高达90%,镍的含量一般在5%～25%之间,可作为工业发展的重要储备。更令人感兴趣的是,人类已经在近地金属类M型小行星中识别出了高品位的金和铂族金属元素矿藏,在有关的陨石中发现铂、铑、铱、钯和金都有很高的含量。以今天这些元素的价格 (2万～5万美元/kg)计算,结果是一颗直径约200m的小型金属M型小行星的可能价值在1000亿美元的量级上。美国天文学家发现并命名为1986DA的一颗小行星,其直径约为1600m,含有10万吨铂、十几万吨金和10亿吨镍,这些贵金属的总价值约为1.5万亿美元。美国一家专门做小行星矿产及其价值评估的网站Asterank,对第241号小行星“Germania”上所具有的矿产资源作出评估,评估其价值达到95.8万亿美元,超过了目前全世界的GDP总量[4]。

除科学意义上的金矿外,一些小天体也被认为是具有真正战略意义的“金矿”。碳质陨石类C型小行星 (数量约占近地小行星总数的10%～15%)相对富含挥发性物质,包括水、氢和氧等。一方面,水在生命起源和演化过程中起了非常重要的作用,具有很大的科学研究价值。另一方面,水又是重要的自然资源,可以作为人类空间探测的能源补给站,为未来深空探测任务提供水、氢和氧,而不需要克服地球引力将这些资源从地球运出 (从小天体运送水资源到空间站要比从地球上运送更容易,可以节省大量能源),这对未来的太空经济具有重要价值[5]。

普通的球粒状陨石类S型小行星 (数量约占近地小行星总数的大多数)除含有几个百分比的铁-镍金属、百万分之一水平的铂族元素外,主要成分是硅酸盐,可作为太空建造和防护的主要原材料[6]。

可以预见,随着相关技术的发展和成熟,对小天体上蕴藏的资源进行开发利用,可以创造出极为可观的经济价值。此外,通过把数百吨的小天体置于地月引力系统或近地空间,航天员通过几天的航行即可抵达小天体开展探测,可显著降低任务成本。也可将其作为“中转站”,为后续建立空间设施以及星际航行转移系统提供大量基础材料,包括萃取推进剂、开发防护材料、建造星际航行防辐射结构,甚至整个星际探测产业链所需要的材料。

3 资源开发利用发展现状

美国政府一直重视小天体资源开发与利用,2010年开始,NASA支持了“小行星重定向任务”(Asteroid Redirect Mission,简称ARM)研究,尝试外空资源开发与利用的相关技术攻关,其任务概念如图2所示[7]。该任务最初的目标是选定一颗直径约7m、重约500t的C类近地小天体,用口袋式抓捕系统对其实施抓捕,并于2025年左右将其带回近月轨道,随后运送航天员对其进行勘探和开采,经过多轮论证,提出了以“小天体整星口袋式抓捕”和“小天体表面石块采集”为代表的多种方案,但特朗普政府宣布该任务无限期推迟,目前相关技术的研发仍有资金支持。

图2 ARM任务概念图Fig.2 ARM Task concept map

小行星机器人勘查任务 (RAP,Robotic Asteroid Prospector)[8]是美国提出的一项采用可重复使用探测器,可在多个小天体工作的采样任务。探测器采用太阳能推进技术实现推进、采样、样品处理等过程,往返于地月拉格朗日点与小天体之间,利用太阳聚能器提取小天体水资源,利用腿式螺旋钻获取土壤样品,采集小天体液态水,通过可分离式穿透器获取土壤样品,并兼顾考虑铂等金属样品采集,探测器外形如图3所示。

图3 小天体机器人勘查探测器示意图Fig.3 Concept map of the robotic asteroid prospector(RAP)

除政府项目外,美国还采用了在政府支持下的商业航天探索模式。2015年底美国通过了《2015外空资源探索和利用法》,为私人实体进行月球及行星采矿提供了法律依据,赋予了私人实体对其开采的任何小天体资源或外空资源的各项权利,包括占据、拥有、运输、使用和出售的权利。在政府的支持下,一些实力雄厚的私人实体均迅速规划了各自的外空资源开发与利用路线图,纷纷规划在2030年左右实现对近地小天体的矿产、水冰等资源进行开发利用,期望在未来的载人火星探测任务中,为其提供近地空间的燃料补给、实现人类太空移民和空间旅行等任务。几个具有代表性的商业公司包括[7]：

(1)行星资源公司 (Planetary Resources)[10]

行星资源公司计划通过从近地小天体开采高浓度的水资源和贵金属,并将这些资源提供到可以获得经济回报的地方。在开采贵金属之前,行星资源公司打算在外空中利用富含碳质球粒陨石分解成高效的LOx/H2火箭燃料。

用于从小天体中提取和精炼火箭燃料的实际方法取决于目标小天体的具体组成,并需要利用行星资源公司的ARKYD探矿者进行密切的勘察。由于外空的独特环境,所需的采矿设备可能比想象的更为简单,甚至不需要与小天体表面进行接触。一个从小天体中提取水资源的可能概念如下：

①包围：完全包围一个小型小天体或在一个大型小天体附近放置一块冷板。

②加热：将太阳能集中反射到小天体表面上,使小天体表面达到一定的温度,使水分挥发并凝结在冷板上。

③释放：一旦收集到所需的数量,立即释放或离开小天体,将燃料送到需要的站点,例如地球轨道或太阳系中的其他地方。

(2)深空工业公司 (Deep Space Industries)[11]

深空工业公司制定的外空资源开发与利用的发展路线可分为多个阶段,但基本上是首先对形势具有非常好的认知,用较小的航天器进行一些勘探,获得一些加工、处理后的矿物,然后把它们卖给运营中的航天活动,作为其“在轨资产”。

认知：拥有丰富资源的近地小天体最具有开发的价值,因为抵达目标并返回所需的能量最少,且人类认知的范围将持续扩大。

勘探：首先识别尚未查明的数百万个潜在有价值的天体,了解目标特性,包括轨道、成分组成和矿物类型。探测方式包括红外遥感、就位探测和取样返回。

材料采购：采集小天体矿石并在现场加工处理,仅运输精炼矿石,或者将原矿或精选矿石运输到地球附近或地球上的稳定位置进行加工处理。也可考虑通过移动整个小型近地小天体 (直径为1～10m)或收集较大型近地小天体的一部分并运输子样本,将原始星体物质运送到地球附近的停泊轨道或直接运送到地球。

加工处理：首先提取具有最高直接价值的元素或化合物 (挥发物和铁-镍混合物)。对这些加工处理中产生的残留物可以先进行储存,直到对它们的需求增加,或者有更经济的方式提炼它们。在高价值材料被纷纷加工处理后,剩余的材料可以用来进行辐射保护,在太空市场内仍然具有价值。深空工业公司路线图如图4所示。

图4 深空工业公司路线图(a)萤火虫探矿航天器标记潜在的备选小天体;(b)蜻蜓飞船从备选小天体中采集样品;(c)母舰运输经初加工的目标小天体;(d)对目标小天体进行加工处理Fig.4 Roadmap of Deep Space Industries

此外,世界上采矿方面研究实力最强的机构之一美国科罗拉多矿业学院开设了太空采矿专业,已于2018年下半年开始招生。

卢森堡是继美国之后,世界上第二个立法推动小天体采矿的国家,也在技术引进和企业扶植上进行了一定的投入,成为该领域的先驱者之一,也体现出了其政府一贯的战略思维及对外空资源开发与利用的商业潜力的肯定。

我国也高度关注小天体资源开发利用这一新兴话题,目前多家单位从政策、技术和法律等层面已经开展相关研究,并取得一定成果。中国科协也已将“近地小天体调查防御与开发问题”纳入了2019年20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿科学问题和工程技术难题[12]。

综上,小天体资源开发利用的热度不断提高,越来越多的国家政府、研究机构和商业公司等都对这一新兴产业产生了浓厚的兴趣,相关技术的发展和法律政策的制定均已进入快车道。但除美国之外,其他主要航天国家受技术水平和经济能力的限制,依旧采用政府主导的太空探索模式,规划论证的任务还主要集中在探测的层面,距离真正的资源开发与利用尚存在较大差距。而美国已全面开展在政府支持下的商业探索模式,以小天体资源开发与利用为宗旨的商业航天公司的出现,标志着该领域将成为未来美国航天探索活动的热点。可以预见,高效灵活、具有契约精神的商业活动,可能成为未来外空资源开发与利用的主导。

4 能力评估及分析

针对外空资源开发与利用,应首先建立一套完备的技术发展体系,以小天体资源开发与利用为例,中国空间技术研究院叶培建院士及其团队[13],提出整个技术脉络应包括“选、探、控、用”四个方面。“选”,即目标发现与选择;“探”,即目标到达与探测;“控”,即目标捕获与操控;“用”,即目标开发与利用。其中开展小天体的资源开发与利用,包括小天体资源的实地利用,小天体自然平台的利用,小天体基地的建设与维护以及涉及到载人登陆小天体探测等技术问题。涉及到的关键技术包括：

(1)小天体表面能量利用技术;

(2)小天体表面推进剂获取与制备技术;

(3)原位资源利用技术;

(4)资源回收和循环利用研究;

(5)小天体地质学研究方法与设备研制;

(6)小天体物理学研究方法与制备研制;

(7)小天体化学研究方法与制备研制;

(8)长期生命保障技术;

(9)空间辐射生物学研究;

(10)微重力生物学研究。

美国依靠强大的综合国力,在技术、政治和经济各个方面的能力均明显强于其他国家。全球布局的地面观测网络、以哈勃和NEOWISE望远镜为代表的天基观测系统,使美国在小天体监测与目标选择方面具有绝对优势。1996年,美国发射了世界首个小天体探测器“近地小天体交会”探测器 (NEAR),到目前,已实现或正在开展对小天体的飞掠、撞击、环绕、着陆以及采样返回等探测任务,对小天体“探”的能力全面展开。特别是美国通过业已暂停的“小天体重定向”任务的研制,开展了大量“控”、“用”层面的原理验证和试验,基本完成了相关的技术积累。此外,行星资源、深空工业等商业航天企业,在小天体水资源开发、基于水的推进系统、原位3D打印等关键技术方面进行了深入研究,我们有理由相信这些技术的突破就在不久的将来。

俄罗斯由于国内政治经济的发展相对滞后,导致不太可能像冷战时期对太空探索事业的大规模投入。但苏联时期积累下的技术基础依然高于除美国之外的其他航天国家,以火卫取样返回为目标的“福布斯—土壤”任务虽然发射失败,但也说明俄罗斯在小天体资源开发“选”和“探”方面具有充分的技术积累。可以说,俄罗斯从技术层面上具备了实施太空资源开发与利用的能力,但是由于经济和政治的原因,很多规划的任务难以在较短的时间内实现。

欧洲在技术层面具有一定的优势,位于西班牙的加那列大型望远镜、盖亚探测器等基础观测设施的部署使欧洲在小天体观测方面形成较强能力,其盖亚天基望远镜数据也用于发现小天体,“罗塞塔—菲莱”任务[14]是人类首次实现彗星的附着探测,标志着欧洲在小天体探测领域某些方面甚至超越美国。此外,欧洲在地外天体的科学探索以及载荷的研制能力方面也具有明显优势,但限于政治体制,以及近些年来欧洲的经济危机等因素,使得欧洲也不具备独自开展大规模外空资源开发与利用的能力,寻求国际合作是欧洲发展外空资源开发与利用的必然趋势。

日本和印度虽然具备了一定深空探测的技术基础和经验,但综合实力较美俄欧还有较大差距,极有可能通过与美国合作的形式,实现外空资源开发与利用,其中日本通过隼鸟系列探测器任务的实施,掌握了成熟的小天体样品返回的形式,在世界范围内暂时属于领先地位。

随着我国在国际上政治地位的不断提升,国民经济的不断发展,空间探测事业在近几十年取得了长足的进步。中科院紫金山天文台于2006年10月在江苏盱眙设置了近地天体望远镜,物镜镜头直径超过1m。2009年12月该望远镜正式服役,使我国初步具备小天体观测能力。而探月工程的成功实施,使我国具备了一定的深空探测能力。最新的月球与深空探测任务的规划中,也将在月球建立科研站,将原位资源开发与利用作为任务目标之一;对小天体和火星的探测任务也在规划论证和研制过程中。可以说我国已经初步具备了一定的进行外空资源目标选取和探测的能力,但距离真正实现外空资源的开发与利用,尚需时日。

5 发展建议

国际太空探索协调组 (ISECG)于2007年、2013年和2018年先后出版了三版全球探索路线图[15],为各国政府在人类航天探索方面的国际合作确定了“从地球轨道空间站,以月球轨道和小天体为跳板,最终实现载人登火和建设火星基地”的发展路线图。然而,该路线图并没有过多涉及私营商业企业的活动。而截至目前,小天体资源开发与利用更多的被视为一种商业开发活动,因此,制定该任务的发展路线图应参考一些私人企业制定的发展规划,如深空工业公司的近期期望、行星资源公司对小天体的积极探索、沙克尔顿能源公司的供水方案,以及王剑探索公司的三步规划等。

中华民族的先人在陆地上创造了灿烂的文明,但当西方进入大航海和航空时代,我国相对滞后,使中华民族经历了长达百年的屈辱历程。当今,太空资源已成为了世界各国争夺的主要战略资源,是未来世界的新边疆,我国也应奋勇争先。对于我国在外空资源开发与利用的发展建议如下：

(1)小天体资源具有巨大的开发前景,但目前人类对其认识还很有限,国际上对小天体资源的开发与利用也在探索研究中。“先到者先受益、先开发先利用”,未来小天体一旦成为了战略重点和资源争夺的热点,将面临如何维护国家利益和保护安全等诸多现状。因此,我国应加强相关政策和法律的研究,避免因政策和法律的滞后,制约我国在外空资源开发与利用领域的发展。

(2)目前,美国、加拿大及欧洲的政府及私人机构正在进行小天体资源开发与利用技术研发,其支持率持续增长,并得到立法保护。商业应用和未来利润的潜能刺激私人实体在技术成熟化方面的投资。越来越多的私人实体公开宣布了他们对小天体资源的兴趣。因此,我国应尽早谋划,提早布局,开展战略研究。

(3)小天体资源开发利用是一项高成本高风险,且关乎全人类未来的问题,我国应积极推动国际合作,可参照国际空间站合作形式,参与国家共同努力,实现风险同担、互利共赢。

(4)小天体资源开发利用应重视商业资本,吸纳更多的国营及民营航天力量,对商业发展模式进行深入探讨,并进一步发展相关技术。

综上,小天体资源开发利用是一项大的系统工程,也是未来彰显我国航天强国的重要标志。同时它也是一个全球范围内的高风险高收益的商业活动,将面临技术、经济、法律、政治等多方面的挑战,前沿性和基础性问题更多。目前,我国具备了一定的资源探测能力,而资源开发利用能力还未形成,需要开展长期、持续、深入的研究。