第4170回：行星採礦太空淘金，深入探索太空基石

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第4170回：行星採礦太空淘金，深入探索太空基石

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2200年人類或許實現了大規模的小行星採礦，整個太陽系變成了人類的後花園。人類出現了地球種族、火星種族,還有小行星種族,小行星種族其實就是曠工。

小行星採礦是從小行星和其他微型行星，包括近地天體中開採原材料，這些材料可用作太空建造或運回地球。

小行星上擁有的豐富的水和碳、硫、氮、磷等資源，能夠為深空探測設施提供燃料和水，是深入探索太空的基石。

除此之外，我們還可探尋大量的稀缺資源，包括鉑族金屬（銥、鋨、鈀、鉑金、銠、釕）以及一些非金屬如砷、硒、鍺，珍貴資源近乎無限，利潤相當可觀。據估算，一顆直徑約80m的普通小行星可能含有價值1000億美元的金屬礦產。

開發小行星資源不但能有效解決礦產資源、能源儲備問題，而且環保清潔，不汙染環境，由於小行星上不存在常駐生命，自然也不會造成生態系統的破壞。在全球金屬消費量日漸攀升、地球能源緊缺的今天，開發利用小行星資源是人類外空探索能力不斷增強的必然結果，可以預見，大規模開發利用外空自然資源將成為21世紀人類拓展生存空間的有效手段。

行星資源公司（Planetary Resources, Inc），舊稱 Arkyd Astronautics，是一家成立於2010年11月的公司，2012年改組並更名。行星資源公司的目的是要借著開發與實踐小行星採礦的技術以「擴大地球的天然資源基礎」。部分消息指出行星資源公司是由 Arkyd Astronautics 改名而來，但其中一位聯席主席埃裡克·安德森（原太空探險公司創辦人）則表示 Arkyd Astronautics 將會成為行星資源公司的全資子公司。

雖然行星資源公司的長遠目標是在小行星上採礦，該公司為了開拓市場的最初計劃是製造小型（30到50公斤）的太空望遠鏡做為地球和天文觀測。這些太空探測器將利用陸基雷射光學系統進行通訊，可以比使用傳統 RF 天線的衛星大幅減少酬載體積和重量。這類光學望遠鏡的發展是未來小行星採礦技術發展的第一步。同樣的望遠鏡衛星也可售予客戶調查和深入研究近地小行星。

Arkyd Astronautics 成立於2010年11月，彼得·戴蒙迪斯擔任聯席主席和董事，而董事長和首席工程師則是克裡斯·萊維茨基。該公司透過公開招募聘請了一些員工。根據另一位聯席主席埃裡克·C·安德森所說，公司名稱 "Arkyd Astronautics" 是故意含糊其辭以幫助公司的小型星採礦議程保密。行星資源公司的網頁於2012年2月22日以 Anderson Astronautics 的名義註冊。

行星資源公司於2012年4月公布將在同月24日召開採編會後受到媒體的關注。最初的新聞稿只提供有限的訊息，4月20日時只有主要的投資人和顧問名單公開。在名單中的人物都以他們的創業精神和對太空、探險以及研究的興趣而聞名。名單中的部分人士也參與過太空研究。當時推測行星資源公司「尋求在地球外獲得原料的方式」，並且會表示（在採編會上宣布）這樣做可以「增加全球 GDP 數兆美元」 。從一開始就主導的假設認為該公司打算發展小行星採礦，而一個匿名消息來源更在4月24日之前證實了這種說法。

行星資源公司也建立了網址名稱與公司名相同的網站。該網站是在2012年2月22日以 Anderson Astronautics 的名義註冊。在4月24日的採編會以前，該公司的公開網站只有標題頁。而標題頁內已經可以看到公司商標、4月24日採編會訊息、一些基本聯絡訊息和一個以郵件進行註冊的提醒。而該網頁也宣布在採編會當日網站會有變化。在採編會以後網站增加了數個網頁，其中包含公司更進一步的訊息、營運的目標、涉及的技術與概念藝術。

該次採編會在2012年4月24日在西雅圖飛行博物館舉辦。這次採編會期間會向一般社會大眾售票，25美金的票被搶購一空。採編會訊息公布與討論則是由參與的五位主要人物進行。採編會也透過網站現場直播。而在網絡上也可以和現場人員有一定限制地互動。

行星資源公司的目標是發展自動化小行星採礦技術。為了達到這個目標，行星資源公司以一個長期戰略計劃為基礎。

第一個步驟將會是使用在地球軌道上的專用衛星對近地小行星進行調查和分析以尋找最佳的潛在目標。許多可使用各種感應器的小型太空望遠鏡將會被發射以達成目的。行星科學公司在網站上宣稱他們的太空望遠鏡可供租用做為私人用途。該公司也計劃製造衛星進行銷售，他們的第一型太空望遠鏡 Arkyd-100 已經發表。

之後的步驟則計劃送探測器到選定的小行星對其表面進行測繪，並且包含對表面的深度掃視並進行採樣與分析和/或採樣送回地球任務。行星資源公司表示可能需要花十年的時間以完成確定商業開採的最佳目標。

最後，行星資源公司計劃完整建立以機器人進行的自動化小行星採礦和加工，並將產品送到任何有需要的地方。除了工業的提煉和太空或地球上用的貴金屬以外，他們也計劃生產水做為太空中的火箭燃料補給之用。發展必要的技術直到成熟並進行概念驗證來實踐是行星資源公司中長期目標。

行星資源公司另一個目標是發展可改變並控制體積較小的小行星軌道。這個技術也許可以在地球附近的太空中處理高撞擊地球風險的潛在危險天體。

行星資源公司正尋求合作夥伴和推銷技術的市場，尤其是教育和研究相關用途。

小行星採礦的目的：門捷列夫於19世紀末編制的元素周期表全面羅列了存在於地球的各種原子，也就是可以利用的各種資源，包括各種金屬、稀土、稀有氣體……總計不下118種元素，並根據原子核中包含的質子數對他們進行了排列，由此可以測算出它們的物理和化學屬性：硬度、耐高溫性能、活性……不過，這張周期表並沒有對它們的儲量或它們的稀缺性作出任何描述。

隨著人類的過度開發與利用，今天，那些面臨匱乏的元素「亮起了黃燈」，其中既包括一些不為大眾所知的元素（銻、釹、銦……），也有一些在人類社會幾千年發揮著支柱作用的元素（磷、鋅、錫 、鉛、銀、 金 、銅……），雖然任何一種元素都永遠不會消失，但是這些自然資源的形成周期極其漫長，

相對於人類歷史而言，幾乎是不可再生的，它們的開採也正在或即將變得困難和昂貴，並且仍舊遠遠不能同人類的開發的速度相比擬，人類隨心所欲壓榨地殼的日子不會再持續很久、地質極限無法逾越，對此，有人建議，從小行星上開採白金、鈷和其他有價值的元素，並將其運回到地球以獲取利潤。

在人類航天史上，能執行小行星採礦這種高難度任務次數並不多，截止到現在也只有三次：

2005年11月，日本隼鳥1號飛船首次降落在小行星「絲川」上，成功收集1500粒巖石；

2019年2月，日本隼鳥2號飛船短暫觸碰小行星龍宮並獲得樣品；2月22日，日本「隼鳥2號」深空探測器將著陸「龍宮」小行星並開始採樣，最終將把這些樣品送回地球，這可推動太空採礦業的發展，但仍面臨經濟效益存在變數，技術難題不容小覷等挑戰。

探測器將向「龍宮」發射一顆子彈，並收集撞擊產生的塵埃。去年晚些時候，取樣方式將會變得更加極端：「隼鳥2號」將利用炸藥將一大塊銅轟入「龍宮」地表。這將創造出一個人造隕石坑，並揭示這顆小行星的內部情況。

未來的小行星採礦者對此密切關注。「隼鳥」號探測器的最初任務是在2010年將有史以來第一批小行星樣本送回地球，但是其後續或許能夠第一次「窺探」一顆小行星的原始內部結構，及其地表之下可能有利可圖的資源。

採礦者可以藉助推力。在第一艘「隼鳥」號小行星探測器首次返回地球時，時任米國總管貝拉克·奧爸馬要求米國航空航天局（NASA）為向小行星派出載人飛行的任務做好準備，由此開啟了一個新興的太空採礦業。晸府手上握有利潤豐厚的合同，對地球之外經濟繁榮抱有期待的企業如雨後春筍般湧現。

然而，繁榮並未到來。就在「隼鳥2號」準備在太空巖石上破土的時候，小行星採礦者卻在撤退。哪裡出了問題呢？

首先，小行星開採是一項價格昂貴的業務，需要很多年才能盈利。米國阿滕工程公司首席技術官J·L·加拉切說：「你要麼需要一位有遠見的投資人，要麼需要一位有遠見的客戶。」2010年，NASA似乎將扮演這樣一位客戶的角色。這個航天機構的目標主要是科研而非商業：歐巴馬晸府的計劃包括「捕捉」一顆小行星並將其帶迴繞月軌道，作為對人類前往火星的最終任務的一次技術試驗。潛在的經濟效益並非沒有引起注意。小行星採礦的支持者指出，有可能採集到地球上難以找到的珍貴物質。

小行星上還有一些看起來或許很普通，但對於支持一項長期航天計劃可能至關重要的物質，如鐵和矽等建築材料，以及更重要的—水。

人類需要水才能生存，但水在太空中還有別的用途。米國亞利桑那州行星科學研究所的阿馬拉·格拉普斯說：「如果你能從一個源頭取到水，你可以將其用作燃料來推動你的太空飛行器前往下一個目標。」

作為首批認真投身小行星採礦的公司之一，深空礦業公司希望能做到這一點。這家米國企業成立於2013年，目標是製造用於採礦的太空飛行器。其主要成就是設計出了一個以水為燃料的推進系統。

小行星採礦的另一個主要參與者是行星資源公司，這家公司2010年成立於米國。其宣稱的目標是「拓展地球的自然資源基礎」。小行星採礦面臨的技術挑戰也並非微不足道。

2020年10月21日凌晨，當群眾還在酣睡之時，3.33億公裡外的米國飛船司陰府神號號按預定計劃執行了一次小行星採礦任務，慢慢接近小行星貝努，4個多小時後短暫觸碰小行星表面，快速收集塵埃和小巖石，然後迅速提升高度，整個過程一氣呵成，猶如「蜻蜓點水」一般，堪稱完美。米國飛船完成小行星採礦任務，用米國宇航局專家一句話來形容：司陰府神號號完成了令人難以置信的壯舉，

10月21日凌晨1:50，司陰府神號號啟動化學推進器，向貝努飛去，在接近過程中，順便完成了長達3.35米採樣臂的伸展，將「即取即送」樣品採集器（TAGSAM）放在了最下方。司陰府神號號中文名為奧西裡斯-雷克斯號，21日5時50分左右，司陰府神號號抵達了125米高度，已經非常接近小行星了，推進器再次啟動，執行「檢查點」機動，其目的是讓飛船停下來，懸停小行星上方，方便進行水平移動，其目的是讓樣品採集器精準對準「夜鶯」採樣點，為即將到來的採礦做準備。

「檢查點」機動時長約為10分鐘，10分鐘後推進器第三次啟動，以極慢速度下降，並與小行星旋轉相匹配，要知道小行星貝努自轉周期為4.29小時。11分鐘之後，飛船經過一個相當於兩層樓高的巨石「末日之山」上方，然後成功在貝努北半球只有小型停車場那大的「夜鶯」採樣點著陸。按照原計劃，米國飛船與小行星貝努的接觸極其短暫，時長不足10秒，其中包括了兩項最重要操作，釋放一股壓縮氮氣衝擊小行星表面，

讓塵土和碎石滿天飛舞，樣品採集器則趁機收集樣品，然後，飛船按計劃好的路線，迅速提升高度，返回原來軌道。儘管採礦全過程由司陰府神號號自動控制，沒有現場視頻可觀看，但實時數據表明樣品採集器成功接觸了地面並發射了壓縮氮氣，司陰府神號工程師還確認，飛船與小行星表面接觸後不久，便啟動了推進器並安全撤離了小行星，完成了一次難度很大的小行星採樣任務。

接下來，司陰府神號團隊將確定樣品採集器中的樣品數量，原計劃是不少於60克，時間大約需要一周，由於太空沒有重量，所以無法進行稱重，不過可以使用以下兩種方法對樣品數量進行測量。一種測量方法是使用SamCam相機記錄整個樣品收集過程，從而確定有多少灰塵和石頭進入收集器，

不過這種方法也有一個致命缺點，需要光照條件適合。另一種測量方法是，通過確定太空飛行器「慣性矩」的變化來確定樣品多少，在外太空中，質量越大，那麼它的慣性就越大。這種測量方法需要樣品採集器伸到飛船側面，然後啟動推進器，慢慢旋轉飛船，讓樣品採集器在一個平面上旋轉，通過張力來感知樣品採集器內樣品質量。

飛船收集到樣品多少直接關係到，飛船是否還會執行第2次採樣任務，如果達到60克，那麼連同採集器一起會被存放進樣本返回艙（SRC）中，太空飛行器將於2021年3月開始返回地球，如果樣品不足60克，將計劃於2021年1月12日再次執行採樣任務，採樣點將改為「魚鷹」。

小行星礦產是米國最近一項立法允許個人和私營企業探索小行星礦產，為商業開發外太空資源鋪路，被認為將催生「太空淘金熱」。經歷過大航海時代開拓西部的米國人發布此法案的重點在於防止米國公司在太空自相殘殺,保持一致對外。

據西班牙阿貝賽報在1月24日報導，在木星和火星軌道之間的小行星帶，數百萬大小不同的巖石（直徑1000千米到幾米不等）形成環繞太陽的一個環。它們是在遙遠的太陽系形成時代留下的殘餘，已經成為實際上取之不盡的礦產和元素儲備，而這些礦產和元素在地球上已經稀缺或者被過度開發。黃金、鉑、鐵和水僅是其中少數代表。此外行星帶中的很多巖石因為相互碰撞離開了行星帶，穿過行星系統沿著軌道全速前進，其中不少巖石飛向或者飛近地球。從原則上來說，這些行星對於人類來說最容易登陸。

基於已知的陸地儲量，以及發達國家和發展我國家的消費增長，現代工業和糧食生產所需的關鍵要素將在本世紀末告急。這些資源包括磷，銻，鋅，錫，鉛，銦，銀，金以及銅。在我國，也有很多城市因礦物資源枯竭而衰落。

近年來，航空局和深空工業公司（Deep Space Industries），行星資源公司（Planetary Resources）之類的企業合作，正準備從近地小行星上開採太空資源，以應對未來的資源危機。

深空工業公司為此開發了三個系列的太空飛行器用於檢查，採樣和收穫小行星。"螢火蟲"是呈立方體衛星形式的太空飛行器的三胞胎，負責到檢查不同的小行星；"蜻蜓"用以以收集小樣本（5-10千克）並將其返回地球進行分析；"收割者"前往小行星，收集數百噸物料，返回高地球軌道進行處理。

而就在不久前，米國成功實現其第一次小行星採樣。該任務於2016年啟動，名為司陰府神號，其主要目標是從小行星"貝努鳥"向地球輸送至少60克樣本，試圖在"貝努鳥"表面上尋找有機分子，以確定小行星能否給未來的深空探測任務提供燃料來源，並提供信息來幫助地球抵禦小行星。該項目全程耗時7年，從2016年發射升空，直至2023年返回地球，項目耗資高達11.6億美元。

司陰府神號在2016年9月發射升空後與運載火箭分離，並在不久後進入巡航階段。2016年12月，太空飛行器成功執行了首次深空機動，巡航階段一直持續到2018年12月與"貝努鳥"接觸，之後進行樣品收集。

由於收集過程中出現故障，因此有一部分樣品通過容器的密封件逸出。為了防止樣品進一步減少，航天局取消了原本要通過旋轉操作確定樣品質量的計劃，以及航行制動操作，提前將收集到的樣本存儲在樣品返回膠囊中。2020年10月，樣品收集器固定在返回艙中，準備返回地球。

"貝努鳥"目前繞太陽公轉的周期為1.1955年，每隔六年靠近地球一次。平均而言，直徑約500米的小行星大約每13萬年左右就會撞擊地球。2010年科學家預測，"貝努鳥"在2169年至2199年之間會有八次撞擊地球的潛在可能。也正是由於它足夠接近地球，體積夠大，而成為了航天局採樣目標。因為只有直徑大於200米的小行星的表面才可能具有疏鬆的硬石，以確保樣本返回任務的成功。直徑小於200米的小行星通常因為旋轉得太快而無法保留灰塵或小顆粒。

一切順利的話，米國首個小行星採樣探測器——司陰府神號、奧斯裡斯-雷克斯探測器，將在2023年帶著至少60克來自"貝努鳥"的原始樣本返回地球，這將是人類史上第二次從原始的、富含碳的近地小行星上帶回樣本，也是迄今為止採集量最大的一次。不過這離真正的小行星採礦還差著十萬八千裡，但面對天價的小行星，人類很難放棄對它的覬覦。

群眾不禁要問，小行星到底多值錢？

最近有一顆小行星火了，這顆小行星名叫"靈神星（16 Psyche）"。它是位於火星和木星之間的小行星帶上，位於地球大約3.7億公裡，其直徑約225.3千米（有很多人覺得它的大小被高估了）。通過哈勃望遠鏡獲取到的紫外線頻譜數據分析發現，與大多數巖石或冰冷的小行星不同，其幾乎完全由金屬構成，如同地球的核心。其構成物質包括但不限於鐵、鎳等金屬物質。

據行星科學家預估，考慮到小行星的規模，其金屬礦產價值高達100億億美元。這可是去年全球經濟總量的一萬倍啊。考慮到小行星的價值，如果能成功開採，完全不存在得不償失的問題。問題在於我們有沒有開採的能力。

各國設想的小行星開採方案呈出不窮。

大多數小行星位於火星和木星軌道之間的主小行星帶中。它包含數百萬個小行星，其中750,000個小行星的直徑超過1公裡，直徑超過200公裡的小行星超過200個。主帶中的小行星是如此分散，以至於大多數小行星相距數十萬公裡。

小行星比月球更容易開採。這是因為即使最大的小行星的引力場也很低。這意味著太空飛行器既能飛向小行星，又容易返回太空，相比月球簡單直接。因此，提取的金屬，水和其他有價值的原材料可以很容易地運送到地球或其他地方。

隨著航天技術的發展，越來越多的國家打起了小行星的主意。近年來，各國科學家提出了五花八門的小行星資源開發方案。現有的開採設想有露天採礦，豎井開採，磁吸等。露天採礦是在某些類型的小行星上，使用鏟子或螺旋鑽從表面刮下材料，或者對於較大的碎片，可以使用"主動抓斗"將其刮除；豎井開採是在小行星上埋一個雷，然後通過豎井提取物質；而面對金屬含量高的小行星則可以直接通過磁鐵收集。

為能建立長期開採基地，可以選擇將飛船暫時附在小行星上。通過採礦機器人提取原材料並保存在貨艙中。另一種選擇是通過雷射切割，將小行星切片送入加工站，精煉成有用的材料，然後送回地球。或者，可以直接將捕獲的小行星或小行星切片運輸到地球軌道的處理站。

理性對待小行星開採，我們又做了什麼？

雖然目前開採小行星的設想很多，但萬變不離其宗，基本想法都是將探測器發射到小行星上，開採資源後帶回地球，或直接在太空用於建設。但小行星開採也許並不像想像中那麼美好，即使是近地小行星，距離地球最近時通常也有數百萬公裡，人類訪問一次可能需要幾個月時間。

如果沒有穩定的貨運補給，航天員生活會有很大困難。畢竟現在人類重返月球都很難，登陸小行星雖然比登陸火星難度小，但要長期駐留，也是規模很大的工程。還好，至少目前還沒有靠開採小行星解決資源危機的需求。據科學家估計，對小行星資源進行真正的開採，至少還要等20年左右。

雖然小行星的開採不容易，但隨著人類對自然資源的需求的增加，地球上的材料依舊有限，開採小行星便是大勢所趨。當然，大勢面前我們自然也不會落後。據相關部門發布的《小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告》介紹，小行星探測任務將採用我國的大型運載火箭發射。計劃在三年內完成對近地小行星2016HO3的繞飛探測，隨後擇機附著小行星表面並採集小行星樣品，之後返回地球附近釋放返回艙，將小行星樣品送回地球。

完成上述任務後，探測器通過地球、火星借力，歷經約7年時間飛抵小行星帶，對主帶彗星133P開展繞飛探測。探測器將以飛越、伴飛、附著、採樣返回等方式，對目標小行星進行遙感探測、就位探測和採樣返回。

面對人口的增長，資源的減少，為了養活更多的人，就必須去開採宇宙中的"金礦"。只有奔向宇宙的探險才能帶領人類走出地球的搖籃，從嗷嗷待哺的嬰兒成為探索陌生的少年。

當未來人回顧當今的歷史，就像是我們敬佩鄭和下西洋的勇氣、義大利懷念羅馬鐵騎的鋒芒，世界將永遠眷顧在荊棘中開闢道路的冒險者。

Jumbo Huang Notes: Asteroid mining is the exploitation of raw materials from asteroids and other minor planets, including near-Earth objects.

Hard rock minerals could be mined from an asteroid or a spent comet. Precious metals such as gold, silver, and platinum group metals could be transported back to Earth, while iron group metals and other common ones could be used for construction in space.

Difficulties include the high cost of spaceflight, unreliable identification of asteroids which are suitable for mining, and ore extraction challenges. Thus, terrestrial mining remains the only means of raw mineral acquisition used today. If space program funding, either public or private, dramatically increases, this situation may change as resources on Earth become increasingly scarce compared to demand and the full potentials of asteroid mining—and space exploration in general—are researched in greater detail.:47f

OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) is a NASA asteroid-study and sample-return mission. The mission's primary goal is to obtain a sample of at least 60 g (2.1 oz) from 101955 Bennu, a carbonaceous near-Earth asteroid, and return the sample to Earth for a detailed analysis. The material returned is expected to enable scientists to learn more about the formation and evolution of the Solar System, its initial stages of planet formation, and the source of organic compounds that led to the formation of life on Earth.

OSIRIS-REx was launched on 8 September 2016, flew past Earth on 22 September 2017, and rendezvoused with Bennu on 3 December 2018. It spent the next several months analyzing the surface to find a suitable site from which to extract a sample. On 12 December 2019, NASA announced the first sampling site, known as Nightingale. On 20 October 2020, OSIRIS-REx approached Bennu and successfully executed the steps to collect a sample. It is expected to return with its sample to Earth on 24 September 2023.

Planetary Resources, Inc., formerly known as Arkyd Astronautics, is an American company that was formed on 1 January 2009, and reorganized and renamed in 2012. Its stated goal is to "expand Earth's natural resource base" by developing and deploying the technologies for asteroid mining. Following financial troubles caused by "delayed investment", it was announced in 31 October 2018, that the company's human assets were purchased by the blockchain software technology company ConsenSys, Inc. In May 2020, ConsenSys made all Planetary Resources intellectual property available to the public domain, and in June 2020, all the remaining hardware assets were auctioned off.

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