嫦娥五號奔月「挖土」,月球上什麼資源最重要?答案出乎意料!

2021-02-08 講武堂

11月24日凌晨,我國長徵五號火箭成功發射,將嫦娥五號探測器送入地月軌道。這次發射相比從前的嫦娥探測器,最大的不同就是採樣返回,取回屬於我國的第一份月壤。那麼,未來對月球的開發該往哪個方向發展?美國已經開始計劃在月球採礦了,那麼我們又該如何應對呢?

據媒體報導,這次嫦娥五號的最大亮點,就是能否將1-2公斤的月壤取回地球。從歷史上看,人類第一個實現「機器人」在地球上自動取樣並返回的探測器是前蘇聯的月球16號。1970年9月20日,月球16號在月球表面成功實施軟著陸。抵達月面1小時後,月樣採集系統開始工作。鑽臂伸出空心鑽管。鑽頭內有探測器,可感知阻力,鑽頭外形類似牙科醫生使用的鑽頭。在選擇好合適的地點後,鑽頭開始工作,7分鐘內就鑽進35釐米,取得101克月球樣本。9月21日,攜帶月壤樣本的上升級點火起飛,24日帶有月壤的返回艙降落在蘇聯境內,算是給蘇聯在載人登月落後美國,挽回了一點面子。

相比前蘇聯的機器人採樣月壤的質量,我國嫦娥五號的採樣量達到2公斤,是月球16號的20倍,這是因為嫦娥五號採用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤,而不是直接返回地球,因此上升級不用搭載返回艙,只需少量燃料,因此能夠攜帶的採樣重量就更多。當然相比美國的載人登月取回月壤的數量少得多,美國7次載人登月總共帶回月壤和月巖樣品約381.7千克,平均每次超過50公斤,是嫦娥五號採樣的25倍。現在美國又開始與一些西方國家籤訂私人公司在月球採礦協議,那麼未來是不是真的要載人登月上月球採礦呢?

無論是美國阿波羅計劃還是嫦娥五號帶回月壤,這讓很多人一想到月球採礦,就想到把月球上的鈦礦、鈾礦乃至氦3等資源運到地球開採。但實際上,現在月球採礦,把那些資源運到地球,最後的價格可能是個天文數字。而現在所說的月球採礦,更多的是「原位利用」,也就是將月球本身的資源,來支撐月球中長期基地的運行,提高月球探索的自主性,減少風險和成本。從目前來看,月球採礦最大的目標不是鈦礦、鈾礦以及氦3,而是我們身邊最常見的物質——冰(固態水)和氧氣。

實際現在月球最關鍵的目標,實際就是找到冰。過去傳統的理論,月球上是沒有冰的。但是近些年美國等一些國家的研究,又認為月球一些永久陰暗的隕石坑內,有可能存在固態水,質量可能達到6億噸,而來源則有可能是撞擊月球的小行星,或者是來自太陽風。如果找到水,不但可以供月面上的太空人使用,還可以開展月面上的實施農作物種植,最終實現月面基地的自給自足。此外水分解後就產生氧氣和氫,這是太空人生存和火箭發射時的燃料。

因此如果找到冰,特別是大規模容易開採的冰礦藏,那麼可以說對月球的利用可謂是滿盤皆活,整個月面有人基地、農業基地和工業基地都有了建設的基礎。因此,誰先找到月球上的冰,誰就佔據了開發月球的先機,而美國大力號召商業公司在月球採礦,絕不是要把什麼月球資源運到地球,而是要搶先在月球上找到水,然後宣稱其為美國公司私有財產,最後為美國在月球上稱霸服務。美方計算在找到水之後,可能需要25億美元在月球建造一處燃料生產基地,每年可生產 1100 噸推進劑燃料。

除了找到固態水,退而求其次的方案就是月球原位制氧,也就是通過太陽能或者是核能,將月壤中含量豐富的氧提取出來,從而給中長期任務中月球環境控制、生命保障和火箭推進系統提供氧氣。目前人們已經提出了超過 20 種從月壤金屬和非金屬氧化物中提取氧的概念性方案,最主要的包括基於氫還原工藝的月壤制氧技術、基於碳熱還原工藝的月壤制氧技術以及基於熔融氧化物電解工藝的月壤制氧技術。其中第三種提取氧氣的效率最高,100公斤月壤能提取30公斤氧氣。但是第二種方法的好處是能產生水和氫氣。

地球上的採礦非常粗獷,大型的採礦機械在地面進行挖掘,讓人感到機械的龐大力量。但月球採礦將截然不同,月球的低重力、真空、巨大晝夜溫差和開採對象等特點,決定了月球的採礦機械需要考慮如何將物流、推進、動力、生命保障、低溫儲存和管理等其他月面系統集成到一起。而發射月球載荷的難度,又決定了這種採礦機械必須是體積質量小巧,同時又具有高度的自動化能力,甚至必須是無人化操作的採礦機器人。從這個角度看,嫦娥五號的採樣返回,也不過是我國開發利用月球萬裡長徵的第一步而已。

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