全太陽系資源開發，需要哪些新技術？

文/閆嘉偉

▲ 太陽系效果圖

在近期召開的中國宇航學會第一屆空間科學與試驗學術交流會上，航天專家發起了“天工開物”計劃倡議，提出了“勘、采、用”階段目標，初步給出了2035 年、2050 年、2075 年及2100 年前全太陽系資源開發4 階段的發展路線圖。展望未來，航天人有可能在地外天體水冰開發、太空采礦、太空航班化運營等領域取得重要進展，為此需要研發、應用更多航天新技術，創造更大價值。

令人神往的“大航天時代”

縱觀人類文明史，對自然資源開發與利用的程度決定了文明發展的高度。當前，人類文明已發展到大規模進入宇宙的“前夜”，而太空資源開發將是實現可持續太空探索的重要舉措和保障。

回顧歷史，“地理大發現”開啟了大航海時代，海量的新興技術伴隨著迫切需求而誕生并發展成熟。比如，為了實施海上定位與導航，羅盤、羅經、六分儀相繼問世，幫助船只在茫茫大海上認清方位；快速發展的造船技術、新型多桅多帆遠洋船舶為人類克服更復雜海況、攜帶更多貨物、更快地到達目的地提供了運輸基礎；先進的地圖繪制技術使得人類對地球的認識更加清晰；而紙張、火藥、新型貯存技術等，進一步幫助人類探索更加神秘危險的未知世界。隨著技術發展，發現、勘探、利用資源的深度和廣度顯著進步，為各航海大國帶來了豐厚的利潤，更是加速了經濟、科技、軍事、文化等領域變革，在客觀上驅動文明螺旋式上升。

宇宙堪稱人類的“新邊疆”，而全太陽系資源開發無疑將開啟超越大航海時代影響的“大航天時代”。可以說，資源的儲量和利用程度決定了人類文明能夠延續的極限，而太陽系中的豐富資源具有巨大的開發價值，商業化、規模化的太空資源開發將形成新的產業體系，改變原材料供應和經濟格局，并在科技、經濟、社會、安全、政治等方面產生巨大影響。毋庸置疑，以太空資源開發為代表的“大航天時代”將會拓展人類生存發展新空間，創造人類發展史的下一個奇跡。

其實，大航海時代揭示了一個簡單的道理：獲取、開發、利用資源的綜合成本越低，參與相關活動各方的積極性越高。傳統上，太空探索以基礎科學研究、尖端應用為主要目標，呈現小范圍、高成本、以官方投入為主的特點；下一階段的全太陽系資源開發利用，預計將吸引更多社會資本自發參與，更重視商業利潤作為衡量標準，與民生福祉緊密相關，很可能選擇大范圍、低成本、市場主導的新模式。

開發建設循序漸進

雖然理想宏偉遠大，但從技術可行性的角度出發，全太陽系資源開發應當謹慎地遵循“先近后遠”的總體方針，即優先完成勘探、采集、貯存、運輸等太空基礎設施建設，再由近及遠、分階段逐步實施地外資源的開發與利用。

對此，中國科學院院士王巍提出了“以戰略性礦產資源開發為目標，以地外水冰資源利用為基礎，以兩大天體間拉格朗日點L1/L2 為節點，由近至遠、分步建設太空資源開發體系”的設想。

在資源開發順序上，逐步建設月球、近地小行星、火星、主帶小行星、木衛星等水冰資源開發設施，逐級形成地月L1 點、日地L1/L2 點、日火L1/L2 點、谷神星、日木L1 點等太空資源補給站體系，逐漸形成全太陽系資源的探索開發能力。

在基礎設施上，通過建設太空資源補給站、太空資源運輸通道、地外天體采礦站、太空資源加工站、太空資源低成本返回通道等太空資源開發基礎設施，逐步形成月球資源開發、近地小天體開發、火星資源開發、主帶小行星采礦、外行星探索開發以及內行星探索開發等太空資源開發體系，具備規模化、商業化的太空資源開發利用能力。

▲ 越來越多的私營機構參與深空探測任務

▲ 外星球采礦想象圖

就像大航海時代離不開造船業、貯存技術的快速發展一樣，未來的“大航天時代”需要重點布局空間進出、太空運輸、太空補給、太空采礦、太空資源加工等相關技術，重點突破低成本資源返回、航班化空間資源運輸、太空資源補給站、地外天體采礦站、太空資源加工站等共性關鍵技術。

按照“勘、采、用”階段目標，第一階段到2030 年，重點鞏固在地球軌道和月球上的存在；第二階段為2030～2050 年，重點擴大在月球以外的存在；第三階段為2050～2100年，將鞏固對太陽系行星與衛星的開發利用能力。

顯然，地月空間開發將成為近未來時期的重中之重。人類開展月球探測活動已有半個多世紀了，尤其是20 世紀六七十年代美國航天員多次踏足月球表面，開展了一系列科學考察活動。近年探月成果表明，月球兩極（特別是南極）區域潛在擁有大量水冰資源，有望為人類的月球活動“自給自足”提供基礎；月球蘊藏著豐富的礦產資源，在月球上逐步建設礦產與能源勘探、采集設施，建立月球長期基地與生活建筑群，將生產活動遷往月球，在緩解地球資源、能源壓力的同時，有望從根源上解決環境污染問題。屆時，人類將真正地大規模走出地球“搖籃”。

更進一步，利用月球的低重力特性，從月面發射運載器所需克服的重力勢能較低；月球基本上不存在大氣，使得飛行器不必考慮氣動阻力和氣動加熱，防隔熱措施可以簡化，從而提升有效運載能力。這些特點使得月球有望成為出色的深空前進基地，為人類大規模勘探近地小行星、火星、主帶小行星等提供有效支撐。

迄今，人類已觀測到約130 萬顆太陽系小行星，其中3 萬多顆接近地球軌道。Asterank 數據庫針對997顆小行星進行了價值估算，綜合考慮資源開采價值與技術可行性，認為其中701 顆的價值超過100 萬億美元，再綜合考慮資源開采價值與技術可行性，當前較適合開發的近地小行星至少有122 顆，總價值超過750 萬億美元。一旦月球基地建立起來，對近地小行星開展勘探活動的成本有望顯著降低，更有利于吸引商業公司廣泛參與。

勘探繪制“深空航路圖”

歷史上，“地理大發現”揭開了大航海時代的序幕，眾多探險家們積極探索和開辟新航路，完善了對世界的認知，尋找到更多貿易路線與貿易伙伴，為四通八達的海上商貿航線和蓬勃發展的資本市場奠定了基礎。在開啟“大航天時代”之前，航天人有必要攻關外星球勘探技術，完善對太陽系的認知，繪制更加詳細的“深空航路圖”、行星表面資源分布圖等。這些工作更是啟動大規模太空工業化的前提。

今天，民航產業發展成熟，在地面管制、飛行員及各類航空基礎設施配合下，民航飛機從起飛到落地都會嚴格按照航路、航點及相關規程飛行，從而保證了數量龐大的航空器有條不紊地快速轉運人員、物資。

相比之下，對于未來的“深空航路”來說，隨著航天器探索空間的極大拓展，飛行環境無疑會更加復雜惡劣，恒星及深空宇宙輻射、難以預測的隕石雨、日益泛濫的太空垃圾等都將對航天器飛行安全產生更大的威脅，而太空危險環境也使得事故后救援變得更加困難。

為此，航天人有必要開發出類似破冰船的深空勘探飛行器，其具備堅固的外殼，配置先進的空間、行星表面、行星地下等區域探測傳感設備，借助高速和靈活機動性，率先為人類在浩瀚的星空中探索出一條條安全的航線，在此期間不斷完善繪制沿途的星圖，記錄紛繁復雜的諸多天體特征，為后續資源開發積累充足的原始資料。

▲ 國際月球科研站概念圖

其實，現有的航天勘測手段已經基本上實現了對外星球表層資源的信息收集，包括揭示月球極地水冰資源分布狀況，對火星表面進行甚高分辨率成像，解析近地小行星表面主要成分等。不過，現有技術難以兼顧對外星球表面的精細探測和廣域探測。

比如，2005 年發射的火星勘測軌道器配備高分辨率相機，在10 多年內僅掃描覆蓋了約5%的火星表面。傳統衛星攜帶單一波段光學傳感器，處于行星復雜地表、氣象條件下，往往也難以獲得可靠的數據，況且還有軌道高度、傳感器性能等限制，導致其對外星球地表的探測效率難以滿足未來的海量需要。因此，航天人有必要開發探測幅寬更大、精度更高且具備多波段、多孔徑融合能力的復合成像系統，更加高效地完成外星球表面掃描。

隨著“蜂群”無人機的優勢逐漸顯露，小型航天器借鑒其運作模式，開展外星球近地信息采集，將成為新趨勢。美國機智號火星無人機在快速掃描外星球地理信息方面做出了有益的嘗試。未來，通過大型航天器釋放眾多無人機，將外星球地表劃分為若干個探測區域，在人工智能輔助下，由無人機自主完成目標區域的圖像、氣象、環境等信息采集，再通過先進算法對海量數據進行處理、融合，有望在短時間內獲得外星球地表的詳細數據，極大地提高分析外星球利用價值的效率。

近年來，木衛二、木衛三、土衛二等冰衛星成為深空探測任務的重要目標，在那些星球內部很可能存在廣闊的海洋，潛藏著生命元素。航天器不僅能夠觀測其表面噴發的羽流，未來或許需要降落著陸，借助放射性同位素裝置加熱保溫，長期工作，甚至有機會鉆入冰層勘測。

采運發掘太空“聚寶盆”

工欲善其事，必先利其器。對于太空資源開發來說，只有在解決開采、運輸、通信等基礎問題后，才能真正進入資源實用化采集階段。

在技術原理方面，外星球資源開采可能與目前地球上的類似活動差別不大：對于外星球地表的裸露資源，可以直接挖掘采集；對于埋藏在地表下的外星球資源，在可預期的未來階段，可以選擇機械連續切割、高壓射流、激光破巖、等離子破巖掘進等方式。不過，這些工作的前提是因地制宜地解決太空開采設備的環境適應性、可靠性、安全性、環保性等問題。根據自身技術條件和外星球特點，權衡資源價值后，還需判斷是否有必要在當地建立初/精加工設施。

▲ 機智號無人機已在火星表面飛行60 多次

▲ 設想中的核動力航天器在全太陽系資源開發進程中是必不可少的

在“深空航路”建立并完善之后，有必要建立適用于航班化運輸深空資源的交通運輸系統。需要指出的是，當前的航天運載工具存在諸多不足：載荷/質量比低，運輸效率不高；自持力差，難以適應深空遠距離運輸任務；通信時延長，深空信息傳輸時效性低……可以說，現役航天運載工具就像在近海活動的小舢板，遠遠不能滿足“大航天時代”奔赴星辰大海的需求。

從技術延伸的角度來看，想要在深空大規模采集資源，可能需要在3個共性技術方面深入發展完善：一是基于當前可重復使用的化學能火箭發動機，構建行星地表-同步軌道的天地上/下行運輸鏈路，通過在行星表面加注燃料，完成中途補給；二是在空間核動力航天器的基礎上，進一步發展完善核電推進、核熱推進等空間核能推進，作為太陽系深空運輸工具的主要動力源；三是基于量子糾纏特性，發展深空量子通信技術，從而滿足深空通信的實時性要求。

在應用這些基礎性技術成果后，深空航班化運輸可以通過設置在外星球地表、“深空航路”關鍵節點的補給站，經由多次太空補給，完成物資轉運。形象地比喻，航天器將采用類似螞蟻搬家的方式，建立大量行星地表-同步軌道、同步軌道-補給節點-同步軌道的多級運輸體制，構成未來空間運輸體系的基礎。

在這些運輸航路中，分為干線和支線兩大類。干線運輸航班主要由定期開行的核動力大型深空運載器承擔任務，具備長期深空航行和較大的貨物承載能力，類似當前地球上的重載貨運列車，甚至會配備成百上千節“車廂”，以相對較低的速度換取出色的運載能力和可靠性。當太陽系深空運輸網絡上分布有大量深空干線運輸航班后，各處外星球資源將實現動態轉運，穿行于未來太空資源采集運輸“大動脈”中。值得注意的是，這些深空運載器不具備進入大氣層的能力，從而節約用于穿越大氣的防隔熱層質量，降低技術復雜性和開發難度。

支線運輸航班由小型運載器負責，仍以可重復使用化學能火箭為主動力。此類運載器負責將資源從外星球地表轉運至同步軌道上的資源中轉站，或者將物資從同步軌道的資源中轉站進一步運輸至干線航路的物資中轉站上。它們可能需要頻繁穿越天體的大氣層，因此有必要安裝防隔熱設備，并選擇適當大小的體格。盡管它們的有效載荷水平明顯低于干線運載器，但成本相對低廉，數量更多，可以通過高頻、快速運輸來彌補單次運力不足。

當前，制約物聯網、工業互聯網等概念發展的關鍵因素之一就是通信時延問題，而每次通信技術升級都會帶來時延大幅縮短。雖然無線電信號以光速傳播，但放到深空信息傳輸的尺度上看，仍顯得“過于原始”。因此，被愛因斯坦戲稱為“鬼魅般的遙距作用”的量子糾纏特性，有望促使量子通信技術在深空通信方面發揮較大潛力。

由量子糾纏帶來的“遙距”作用，使得通信信息具備了“瞬時”到達的可能性，這對于復雜的深空運輸航路是至關重要的。在瞬息萬變的深空環境中，通過高效的量子通信手段和完善的通信網絡賦能，深空航班化運輸系統可以將不同星球的資源源源不斷地進行匯聚和分散，使得“太空聚寶盆”逐步造福人類。

開啟大規模太空工業化

隨著深空勘探、采集、運輸等領域逐漸發展成熟，全太陽系資源的開發利用方式將會逐漸豐富，初期或許只是利用外星球資源“反哺”地球文明，后期將支持人類開拓地外定居點，建立太空城市，發展太空工業，甚至更進一步，探測太陽系之外。

預計隨著太陽系深空運輸網絡不斷延伸完善，地球對地外資源的需求將逐漸趨于飽和。海量資源除了滿足地球的發展需要外，更重要的是打造新的“生命線”，幫助人類“走出地球搖籃”，逐步發展外星球居住城市、人造大型空間城市等宏偉遠景。

比如，在外星球表面開展工業活動，既需要本地采集資源，又需要其他星球提供資源支持，大量運輸將消耗寶貴的空間支線運力，頻繁再入行星大氣層也會提升風險。因此，開展資源原位利用、在軌利用，將是太空工業化的發展目標。

所謂資源原位利用，指的是根據外星球氣候、環境特點，建設水冰、礦產等資源開發設施，通過精細化加工、冶煉，為其他工業生產活動提供必須的原料，從而降低對其他星球資源的依賴，節約支線運力。

至于資源在軌利用，則是深空資源利用的更高級形式。例如，空間望遠鏡陣列如果能夠在軌制造、在軌部署，必將節約大量發射成本。在全太陽系資源開發利用進入成熟階段后，供給地球、月球甚至火星等人類定居區的資源很可能僅占資源使用量的較少部分，大多數從外星球開采的各類資源、能源經過加工處理后，被送至軌道上，為建設大型空間建筑提供保障。

為此，航天人需要針對低重力加工、組裝技術開展研究。在深空環境下，各類設備的散熱問題也面臨嚴峻考驗。相比當前航天器采用的各類散熱方法，空間大型設備除了配備更完善的主/動散熱設備外，散熱工質的工作環境區間也更加嚴苛。這要求航天人在新材料應用基礎領域進一步探索，針對極低溫、極高溫、大溫差等環境，研究相關的導熱介質。

或許在很多人看來，全太陽系資源開發是遙不可及的。不過，正如“航天之父”齊奧爾科夫斯基所說，“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠呆在搖籃里”。人類利用地球資源，實現了“從襁褓中站立起來”，唯有進一步實現太陽系資源的開發與利用，才能邁向更加先進、成熟的文明。

▲ 巨型空間建筑想象圖