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全太阳系资源开发,需要这些新技术!
2023-09-16

近日,我国航天专家提出了全太阳系资源开发路线图。未来,地外天体水冰资源开发、外星球采矿、太空航班化运营等任务都呼唤更多航天新技术的研发、应用,以创造更大价值。相比航天史上的太阳系内探测任务,未来太阳系资源开发可能会实现哪些宏伟目标?需要哪些新技术助力?科研人员又需要克服哪些挑战呢?

外星球冰层下海洋探测器想象图

“天工开物”布局大开发

不久前,中国宇航学会第一届空间科学与试验学术交流会在北京召开。会上,中国科学院院士王巍作《太空资源开发体系发展设想》报告,并发起“天工开物”计划倡议。

报告提出了以战略性矿产资源开发为目标,以地外水冰资源利用为基础,以两大天体间拉格朗日点L1/L2为节点,由近至远、分步建设太空资源开发体系的设想。

一方面,逐步建设月球、近地小行星、火星、主带小行星、木卫星等水冰资源开发设施,逐级建设涉及月球、火星、谷神星、木星等太空资源补给站体系,具备全太阳系资源的探索开发能力。

另一方面,拟建设太空资源补给站、太空资源运输通道、地外天体采矿站、太空资源加工站、太空资源低成本返回通道等太空基础设施,逐步形成涉及月球、近地小天体、主带小行星、行星等太空资源开发体系,具备规模化、商业化太空资源开发利用能力。

此外,重点布局空间进出、太空运输、太空补给、太空采矿、太空资源加工技术,重点突破低成本资源返回、航班化空间资源运输、太空资源补给站、地外天体采矿站、太空资源加工站等共性关键技术。

总之,报告提出了“勘、采、用”阶段目标,初步给出了2035年、2050年、2075年及2100年前全太阳系资源开发4阶段发展路线图,推动我国太空资源开发利用领域实现跨越式发展。

为了达成这些宏伟目标,航天人有必要大胆创新,研发、应用一系列新技术。

勘探,深入了解太阳系

开发太阳系资源,首要任务的就是对地外天体进行足够精确的勘测。

现有的航天勘测手段已实现了对外星球表层资源的信息收集,包括借助探测器揭示月球极地水冰资源分布状况,对火星表面甚高分辨率成像,使用地基雷达,解析近地小行星表面主要成分等。

不过,现有技术难以兼顾对外星球表面的精细探测和广域探测。比如,火星勘测轨道器的高分辨率相机在10多年内仅扫描覆盖了约5%的火星表面。未来,在勘探太阳系资源的征程中,更大幅宽、更高精度的成像探测系统必不可少。

更进一步,对地外天体深处的资源勘测也是有待开发的新领域。在木卫二、土卫二、海卫一等巨行星的卫星表面厚厚冰层下,得益于卫星内部残存热量和巨行星引力作用,很可能存在广阔的海洋。未来,这些地下海洋不排除帮助补给执行深空任务的航天器,甚至用于补充地球上的水资源。

不难想象,勘测这些冰卫星,需要使用钻机和潜航器,通过加热融冰来穿透数公里厚的冰层,遨游地下海洋。这些设备有必要借助放射性同位素装置来维持长期工作状态,降低系统复杂度和综合成本。

此外,更强大的地基和天基雷达将进一步勘测近地小行星和主带小行星的资源成分,并判断它们是否具备开发价值。

考虑到遥远距离与未知的高风险环境,基于人工智能的无人探测器将成为勘测“先锋”,尽量以较低成本收获更多成果,为建立有人驻留的深空前哨站打基础。为了适应恶劣的地外天体辐射环境,无人探测器的人工智能算力和通信能力必须不断升级。

采集,大规模进入太空

如今,探测器已实现了月球采样返回,火星采样返回任务正在加紧推进。不过,相比科研性质的少量采样,未来地外天体资源持续开采总量必然显著增加。为此,航天人有必要掌握大规模进入太空的能力,拥有足够强大的太空运力。

综合效益较高、可重复使用的重型火箭和航班化空天运输工具应该能“拔得头筹”。它们将使用化学能,分批次执行近地轨道发射任务,实施集成组装,建成比国际空间站更庞大宏伟的太空设施。不过,在频繁的深空飞行中,化学能发动机比冲有限,推进效率不高,有必要应用更高效的基于太阳能和核能的推进技术。

众所周知,太阳辐射强度随着航天器远离而急剧减弱,超出木星轨道后,太阳翼发电效率难以满足任务需求。未来,应用新技术,借助反射器,强化汇聚至太阳翼上的阳光,理论上可以将太阳翼应用扩展至土星轨道。

核动力航天器很可能是常态化太阳系内航行的必备选择。由于核裂变碎片火箭发动机、核聚变推进等方案的技术成熟度低,核热推进、核电推进似乎更加现实。

核电推进火箭执行深空任务想象图

核热推进的原理是使氢等工质直接流过反应堆堆芯加热,形成推力,早在20世纪60年代就进行了初步试验。国外核燃料浓度较低的核热火箭有望在5年内首飞,目标包括驱动航天器2年内抵达木星,3年内到达土星。

但核热推进目前存在一些难题,比如启/停耗时过长。此外,反应堆堆芯燃料棒在连续运行下可能产生异常蠕变、包层碎裂、强度下降等问题,多次启动和连续工作时间受限。

核电推进需要使用复杂精密的机械结构,主动循环制冷工质,又缺乏冗余备份,导致在深空环境下可靠性差,工作寿命往往只有数十天,巨大的散热装置也会造成航天器“超重”。

实际上,航天器在外星球表面大规模开采资源,必须克服巨大挑战,比如发展更出色的柔性机械臂等,更需要在材料、结构设计等基础领域取得进步。

除了推进技术创新外,新颖的航天器设计思路有望投入实践。比如,航天人可以考虑借助推力器等,“搬运”蕴藏有足够资源的小天体靠近地球,简化航天器着陆或采样设计方案,转而攻关航天器和小天体的组合体控制技术。

利用,整体迈上新台阶

太阳系资源深入开发阶段,采集获取的空间原料将不再被完全运回地球,而是尽量在轨转化为可利用的资源。

比如,科研人员正论证将外星球的水冰资源电解生成氢、氧等,供给航天器或者太空工作者;将采集的原矿提炼为可以直接使用的金属资源,甚至加工成配件,在轨组装航天器;使用火星表面的二氧化碳、氢气等,通过萨巴蒂尔反应,生成甲烷,进一步合成有机物甚至食物;航天器材料和智能化进步后,可以考虑从富集放射性原料的外星球上采集核原料,生产反应堆燃料棒,或者从巨行星的大气中提取稀有气体和电推进工质。

总之,随着深空任务航天器广泛部署和太空基建逐渐完善,地外天体资源更多将被用于支持前哨站运作,有时候运回地球反而得不偿失。当前,多国航天已经或即将实施月球、火星等外星球原位资源利用试验,有助于探索地外天体资源开发的新模式。

外星球采矿场景想象图

发展外星球原位资源利用,开展太空生产活动,将是未来太阳系资源开发的趋势,能源供给难题不容忽视。为此,有必要建设空间太阳能发电站等太空基础设施,帮助航天器和太空工厂简化设计。

散热将是太空工厂面临的又一个问题:辐射散热效率较低,在缺乏液体和大气的外星球上高温冶炼金属,风险较大。这样看来,太空工厂适合建在拥有大气的火星、土卫六等天体上。

畅想未来,如果生产精密器件的太空工厂成真,或许航天人可以利用无重力环境,打造“太空船坞”,组装一些在地球环境中难以实现的巨大航天器,支持更远的航行或者运输更多货物。

航天事业已成为各国争相投入的“希望领域”,因为近乎无限的空间资源以及探索、开发过程中取得的技术成果,都代表着国家发展和战略竞争中的光明未来。随着技术进步,太空资源开发的构想正在逐渐变为现实,航天人仍需在持续投入下继续努力。(作者:张晨)


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