text: 中国测绘 | 当科幻映入现实——浅谈太空找矿的现状与未来
  原创 中国测绘学会 中国测绘学会
  本文内容摘自《中国测绘》2021年第12期
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  根据2019年《世界能源统计年鉴》，石油、天然气和煤矿占世界能源供给消费的85%，其中石油、天然气储量仅能维持50年左右的全球消费；黑色金属、重金属、轻金属、稀有金属等矿产也面临着枯竭。著名的英国物理学家霍金曾预言：“在未来一百年内，人类为生存必须离开地球，去太空寻求新的家园。”
  ”
  与之形成鲜明对比的是，地球之外资源极其丰富，可利用的资源比地球上要多得多。太阳系内，月球、火星、小行星等天体上都具有丰富的矿产资源及稀有金属；类木行星和彗星上有丰富的氢能资源等；更遑论太阳系外的浩瀚宇宙中蕴含的丰富资源了。
  张克非 中国矿业大学环境与测绘学院特聘教授
  为了破解地球矿产资源枯竭的难题，开发与利用丰富的太空资源势在必行。但目前公众对于太空采矿的认知几乎停留在“近科幻”阶段。下面就什么是太空采矿，以及太空找矿、采矿的发展现状、机遇和挑战等问题进行一些探讨。
  什么是太空采矿？
  开发利用太空资源是目前大国博弈的新疆域，也是科技竞争的制高点，承载着未来人类文明可持续发展的希望，更是关乎我国未来发展的一个重大战略问题。那么太空采矿究竟是什么呢？
  太空采矿是指综合利用空间技术、采矿学、空间信息科学与技术以及天文学、行星科学、地质与地球物理学等理论与方法，研究与矿产资源、太阳资源以及其它资源等太空资源开发与利用相关的从近地到深空、从表层到深部的定位定向、资源评估、编目、全息勘探、无人开采、智能分选、冶炼、装备、通讯和原位利用的科学与技术。
  而太空找矿是太空采矿的前提，太空矿产资源种类繁杂，我国前期主要对月球表面以及月球浅层矿产进行了探测，掌握了多种稀有金属的全月分布；最近成功将“天问一号”火星探测器送入太空，将对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行科学探测，实现我国在深空探测领域的技术跨越。
  在未来，我国除了继续对月球和火星资源进行更深一步的探测外，还将重点探测小行星的矿产资源分布。
  国外方面，美国、日本、欧洲、俄罗斯以及印度等都对太空资源进行前期的探索，美国和日本均掌握了近地小行星取样返回技术，美国的第一号太空政策指令计划把宇航员送上月球和火星并于2019年成立了太空军，同时美国和欧洲部分国家还对太空资源开发利用进行了立法。但是世界上还没有任何一个国家有能力在十年内进行工业化太空资源开采，开展国际合作将有利于推进开发利用太空资源的进程。
  开发太空资源中的测绘技术应用
  作为一项极其复杂的系统工程，太空资源的探测离不开测绘空间信息技术。在探测月球或其它天体矿产资源分布方面，目前主要使用遥感技术进行远程探测，即利用轨道探测器携带的传感器对天体表面进行探测。具体表现为利用高分辨率相机或合成孔径雷达对天体表面或浅层资源进行探测和分析。
  在开采价值判断方面（如某颗小行星的类型、矿物质成分等），可根据小行星光谱分析得到，在目标天体的重力场、磁场、大气场、基地建设等方面都高度依赖于空间信息科学与技术。
  除此之外，探测器、着陆器、巡视器的导航与定位，深空基准建立、局部地图测绘（如大小、形状、地形），三维建模和监测，传感器、机器人精准控制，地物特征与地形测量，深空环境感知等均需要测绘技术的支持。
  地球采矿常用到的精密监测技术在太空采矿中是否需要呢？如何在太空中安全采矿呢？
  其实月球、火星、小行星的环境与地球上差异很大，目标天体的重力场、大气场、磁场等都比较弱，多为无水（含水量低）环境，且具有富含的稀有矿产硬度高的特点，目前矿工还无法进入太空进行开采工作，开采只能通过智能机器人完成，不同开采场景下安全保证差异巨大，这就导致太空资源开采工作极具挑战性。
  例如在地球上，矿产开采过程中对人员安全造成重大威胁的主要是冲击地压、瓦斯爆炸、地表塌陷等，造成的根源是重力和瓦斯含量，而在月球、火星、小行星等星体上，重力较小、无瓦斯，无/低氧气等条件基本不会造成顶板突然大面积垮塌、瓦斯爆炸等灾害。
  和地球采矿类似，在其它天体进行矿物的探测、开采以及原位利用，也需要保障相关仪器设备安全的工作环境。对于无人开采来讲，目前主要的危险包括外部的温差、环境感知（例如未知的水冰和风化尘土、冲击坑、地表岩层）、太空辐射以及其它小天体的碰撞、甚至无法实时接受指令带来的灾难，还有要克服设备本身的过热（冷却问题）、能源动力供给、性能问题等。为此，需要研究精准检测各类环境因素的设备，实时感知环境的变化，设备要求具备长工作周期和超高可靠性，采矿机器人需要自主适应工作环境和解决工作中的突发事件。
  而对于未来的有人太空采矿，我认为危险主要来源于生存环境，例如太空射线的辐射、微重力、缺氧（水）或无氧（水）等对人身体的损害，将由太空医学及其它相关研究得以解决。
  太空找矿的发展现状
  今年，我国嫦娥五号带回了1731克月壤，让太空资源开采利用成为热门话题，但目前有关太空采矿的研究仍处于初级阶段。人类经过了半个多世纪的深空探测，积累了较为丰富的资料及前期技术，其中部分技术经过改造、深化，未来可用于太空采矿，例如资源勘查、钻孔技术及原位资源利用等主要的太空采矿技术。
  钻孔技术方面，地外天体钻孔技术最早可追溯至前苏联的月球16号探测器，同样使用钻孔技术开采月球土壤样本的还有中国的嫦娥五号、前苏联月球20号以及美国的阿波罗15～17号。它们采用的钻孔方式是冲击回转钻进法，该方法可以减轻钻头的重量并降低能耗。日本隼鸟２号探测器在技术路线的选择上另辟蹊径，2019年在小行星“龙宫”着陆后，发射了“弹丸”撞击小行星地表，采集了地表和地下岩石样本。
  太空采矿是一个长期的、昂贵的、极其复杂的系统工程，矿山机械的典型特征是大而重，对发射载荷有极高的要求，为了减少因克服地球引力所需而消耗的燃料，大规模的太空采矿活动需要就地利用被采目标中的资源，例如载人工作中采矿员所需的食品、水和氧气，或者更可行的无人采矿时采矿机器人所需的燃料氢气和氧气。
  研究表明将月球上的钛铁矿加热还原可以制取氧气。美国某火星任务曾计划携1个原位资源利用的有效载荷，以火星上大量的二氧化碳为资源制作氧气，用于探测器在火星上升阶段所需的氧气推进剂。研究表明，水星、金星、月球、火星以及Ｃ类小行星可能存在水或氢元素，而这些目标天体大多适合在未来被开采，通过采集天体上的水经适当的方法还原为氢气和氧气，可为探测器提供必要的能源。
  总体来说，目前国内外学者在太空资源勘查、钻孔技术及原位利用等方面开展了探索性研究，为开展太空采矿进一步研究奠定了重要基础。但目前的技术还无法满足太空采矿的工业性实验，同时由于太空采矿空间基准与导航定位、太空采矿机械设计与制造、太空资源勘查与开采、太空资源分选与利用等方面缺乏系统深入的研究，导致太空采矿的实质性进展缓慢。
  我们距离规模化的太空找矿还有多远？
  近年来，我国航空航天技术取得了飞速发展，从神舟一号到神舟十三号，从嫦娥一号到嫦娥五号，从天宫一号到天宫二号，特别是作为世界首个在月球背面软着陆巡视探测航天器——嫦娥四号，其主要任务是着陆月球表面，继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息，完善月球的档案资料。近年来我国航天工程取得了一个又一个令人瞩目的成就，也标志着我国航空航天技术进入世界先进水平行列。
  事实上，我们距离真正的太空资源开发与利用还有很远的距离，我们对于火星、月球及近地小行星的勘测活动及相关技术尚处于起步探索阶段。
  我国目前以资源开发与利用为目标的探测主要是发射探测卫星，例如国内已有相关产学研机构成功发射了紫外探测器验证星、“龙虾眼”X波段探测卫星，利用遥感技术对目标星体资源进行探测。嫦娥二号也对月球主要矿物进行全局测量，对小行星进行近距离探测。而要达到真正开发与利用的程度，还需要更精准、更精细的普查与编目。
  所以要实现太空采矿，必须要对太空时空基准、探测器轨道设计与控制、智能机器人的精准导航与控制技术、卫星摄影测量与遥感、脉冲星导航等测绘技术进行深入的、系统性的研究。
  对于太阳系内较远的行星以及小天体，目前已初步探测到行星的基本物质组成和物理性质，而对于精细到像矿产勘测这样的活动，必须等以遥感为代表的空间信息技术发展到更高水平之后才能实现，例如探测距离更远、分辨率更高、穿透能力更强的激光雷达。
  同时，测绘作为深空探测的眼睛，如何为深空探测器提供实时、精确、自主的定位导航也是需要我们进一步研究的问题。对于太阳系外的资源，目前得到应用的主要是河外稳定射电源，可为深空探测提供稳定的参考框架及地球和天球参考系的转换，与测绘科学技术息息相关。
  目前，我国已具备了先进的矿产资源开采与利用相关的技术、装备及方法，为我国进行太空采矿研究与实践奠定了基础。总体来说，我国已具备了进行太空采矿所需相关技术的研究条件，具有非常好的发展机遇。太空资源是未来各国竞争的目标，建议我国尽快建立相应的研发机制以推进太空采矿的进程，制定相关法律，融合各方资源，进行太空采矿的研究与实践，占领该领域的国际制高点。
  那么规模化太空采矿何时能实现？这里我想引用叶培建院士的原话：“我国只要去做，10年内就能开展示范性工程；要实现大规模开采，大约需要50年左右。”
  我们将该过程分为几个阶段，如下图所示：
  在未来的太空勘采科研中，中国矿业大学将贡献自己的力量
  虽然太空采矿迎来了前所未有的发展机遇，但围绕太空采矿的研究才刚刚起步。中国矿业大学作为国内唯一一个以矿业命名的高校，有使命、有义务、有能力作为太空资源开发与利用的排头兵。
  目前学校还没有涵盖太空采矿“去、探、采、分、用”等所需要的全部学科，因此学校的重点还是把握“双一流”建设契机，依托环测学院在“探”方面、矿业学院在“采”方面、化工学院在“分”方面的优势，加强与政府部门、其他高校、科研机构及企业的合作，政产学研紧密结合，发挥所长、技术共享，弘扬永远不服输、永远不向困难低头、永远争第一的“采矿精神”，为推动我国开发与利用太空资源贡献力量，突破太空采矿在“探、采、分”方面的装备及技术瓶颈。
  END
  文 / 张克非 （作者单位系中国矿业大学）
  编辑：张永超
  初审：齐 阳
  审核：彭震中
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  原标题：《中国测绘 | 当科幻映入现实——浅谈太空找矿的现状与未来》
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