科學也可以如此靠近

2040年實現太空採礦?基本靠譜

3月
15
2019

2019年3月15日03時 今日科學 兵心

兵心

2040年實現太空採礦?其實2040年距離現在並不遙遠,滿打滿算不到21年。想想1998年到今天,也已經是21年,這期間,人類在基礎科技能力上,並沒有太多的明顯進步,似乎只有移動網際網路是進步最明顯的。在基礎科技突破越來越困難的時代,下一個21年,我認為,還是高機率基於今天已經具備的太空能力,也就是仍然以大火箭技術和太空載人飛船、空間站加工能力為主來實現外太空採礦。未來21年間,也許有局部技術的提高,但是幻想研發出飛碟或者核聚變動力飛船之類的機率則微乎其微。說到太空採礦,很多人的第一反應,是要到月球表面開採氦-3。只所以這麼想,可能來自探月工程前幾年的科普。另外,月球是距離地球最近的天體,而地月軌道之間,並沒有任何其他的固定軌道外星,只有人造天體,因此把太空採礦的第一目標放在月球上似乎順理成章。

月球上的氦-3資源被大量宣傳,是因為使用氦-3的熱核反應堆中沒有中子產生,中子流形成的射線對人體和生物危害很大。而氦-3與氘進行熱核反應只會產生沒有放射性的質子,故使用氦-3作為能源時不會產生輻射,不會為環境帶來危害。但是因為地球上的氦-3儲量稀少,有人估計只有半噸,無法大量用作能源。而月球上的氦-3含量估計約100萬噸以上。100噸氦-3就能提供全世界使用一年的能源總量。因此理論研究認為月球上的氦-3至少能滿足人類下一個一萬年以內的全部能源需求。月球上的氦-3的提取是一個複雜的過程。首先需要在月球上建設加工廠,將月壤加熱到700攝氏度以上,才可以從中提取到氦-3。然後在通過返回過程,將高濃度的氦-3運回地球。由於氦-3能量密度極大,價格極其昂貴,哪怕每艘從月球返回的飛船只能帶回1噸的純氦-3,也是利潤極高的生意,估計毛利超過150%,本身是有利可圖的。

但是在這裡要著重提醒:在月球上開採氦-3確實有利可圖,但有一個大前提千萬別忘了,這就是人類首先要在大規模的開發月球的氦-3資源以前,先解決可控核聚變的問題,並且真正製造出熱核反應民用堆。這個問題就比較撓頭了。因為當今所有的托卡馬克裝置,也就是磁約束熱核聚變裝置,是年年有突破,但是年年距離實用化還是有十萬八千里。而雷射核聚變也差不多同樣的狀態。現在全球所有這類試驗裝置,都沒有解決開動一次試驗消耗的電力,遠遠大於試驗本身產生的電力這個根本矛盾。因此目前都是學術研究裝置,實用化全部談不上。在所有熱核民用堆突破以前,任何對氦-3的開採都是無用的。因此能否在2040年左右可以做到開採氦-3,大前提是先突破地面上的技術攔路虎。說實話,看目前的進度,要在21年內徹底突破,一個字,難!

那麼既然開採氦-3的大前提都不確定,到2040年就不能太空採礦了嗎?也不是。我們首先要有個概念性的認識:人類開採的礦物,其實分為能源性礦物和材料性礦物兩大類。比如煤炭和石油都是能源性礦物。鐵礦、其他金屬礦、石料、沙子、水資源,都是材料性礦物。石油和煤炭本身也可做材料性礦物,比如石油可以生產化纖,煤炭燃燒完畢後的粉煤灰也可以做水泥和填料。而且礦物本身也不都是金子銀子那樣的高檔礦物。像水資源、沙子石頭,本身是相對廉價但是卻是更基礎性的礦物。人類到目前長期居住在地球上,利用的礦物主要是地球地殼和大氣層的物質。但是人類也利用來自外太空的資源,比如陽光和來自太空的隕石,本身很早就被人類利用。因此2040年以後,人類在外太空的開礦,仍然是目標很廣泛的,千萬不要被限制住思路。

因此2040年以後的太空採礦,筆者認為:

第一,是開發太空的豐富太陽能。在地球近軌道,或者地月之間的軌道,或者月球表面,建設大型太陽能帆板群。一個十平方公裡面積的太空超級太陽能電站的發電功率就可以達到三峽電站的三分一甚至一半。既可以在太空直接用作生產、生活電力,也可以用微波往地球表面回輸電力。

第二,就是開發月球上的月壤資源。月壤是一種矽含量極高的物質,幾乎就是純天然的玻璃碎屑,因此稍微加熱就可以生產出優質的玻璃和水泥,可以直接用來在月球表面建立固定基地和溫室大棚。有了這些基礎性基地,再開發月球其他金屬礦物和氦-3也不晚。

第三,可以開發小行星的資源。小行星不僅僅在火星軌道之外和木星之間有,其實在地球和火星軌道之間也有不少。數量驚人的小行星被認為資源種類繁多,有的幾乎是一個純鐵鎳球,比如著名的靈神星;有的含有大量的石英;有些則可能含有地球半個海洋的水量。而小行星引力小,無人或有人飛船開礦後返回比較節省能量。從小行星上開採的鐵鎳資源,可以直接在太空生產新的太空艙和大型基地的金屬主材;太空石英可以直接生產太空大棚的玻璃外殼。而太空取水幾乎解決了人類剩下的所有需求,直接電解太空水,生產呼吸的氧氣,通過水和電力照明,甚至不用陽光就可以生產所有的植物類食物。這樣幾乎在空間就能建設可居住數百萬人的大城市了。這類太空採礦,在2040年以後還是基本靠譜的。


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