段亞博：星際版 “黃金礦工”

何謂“太空采礦”？簡單來說，就是開采地球外的礦物資源。這個曾經存在于科幻小說和科幻影視作品中的概念，如今正逐步走向現實。

2017年，中國礦業大學（簡稱“礦大”）在國內率先成立太空采礦國際研究中心，推動我國在太空采礦領域的研究，同時也為太空采礦領域研究儲備專業人才。礦大大地測量學與測量工程專業2024屆學生段亞博是太空采礦國際研究中心培養出來的首位博士研究生，同時也是我國首位太空采礦領域的博士畢業生。

第一個吃螃蟹的人

“我是礦大的‘老生’了。”段亞博笑著說。2018年，在中國礦業大學環境與測繪學院讀書的段亞博即將本科畢業，因為成績優異，他成為學校推免的直博生。直博生通常要求長期堅持在某一領域的研究，這樣能保持科研的連貫性，進而積累豐富的研究經驗。盡快確定自己的科研方向，成為段亞博心頭的一件大事。

2012年，礦大時任校長葛世榮與中國科學院、中國工程院院士李德仁共同商議在礦大嘗試太空采礦領域研究。2016年，國家重大人才工程項目入選者、長期從事衛星定位及大地測量學研究的張克非教授放棄國外優厚的工作條件入職礦大，在當時國內有關太空資源開發利用的科技、團隊、環境還是一張白紙的情況下，開始向太空采礦領域進發。2017年，礦大成立太空采礦國際研究中心，由張克非教授擔任中心主任。

作為張克非教授的學生，第一次看到“太空采礦”這幾個字時，段亞博感到內心莫名一震。在他小時候，家里的經濟條件不好，有時為了節省電費，甚至連電燈都不舍得開，多少個漆黑的夜晚，每當抬頭望向夜空時，那滿天的繁星和浩瀚的宇宙總讓他不禁浮想聯翩。在一篇名為《20年后的我》的作文中，他深情地暢想：“20年后的我終于如愿以償，穿著印有五星紅旗的宇航服，行走在月球那堅實的土地上這里早已建好月球基地，生活設施一應俱全。我帶著我的寵物機器狗參觀了阿姆斯特朗留在月球上的第一個腳印的遺址”

見段亞博似乎對太空采礦頗有興趣，張克非教授便耐心細致地向他介紹這一領域的源起、最新研究進展、初步科研成果和美好的愿景。人類向往太空采礦，最直接的需求是獲取太空資源，以應對未來地球礦產資源可能枯竭的難題。遠的不說，月球和太陽系中的小行星上就蘊藏著豐富的資源。比如被科學家們稱為“完美能源”的氦-3，就是一種特別清潔、安全和高效的核聚變發電燃料。據科學家估算，只需要100噸氦-3便能提供全世界使用1年的能源總量。但氦-3在地球上卻極其稀有，目前全球總共存在約 0.5噸氦-3。相反，月球上的氦-3含量卻異常豐富。如果能將氦-3帶回地球，其價值不可估量。

此外，目前人類在太陽系中已觀測到超過145萬顆小行星，其中近4萬顆是接近地球軌道的近地小行星。這些主要由水冰、巖石和金屬構成的小行星所蘊藏的礦產資源儲量令地球相形見絀。科學家曾對部分金屬質小行星的光譜進行分析，結果顯示，靈神星等金屬質小行星的金屬含量高達82.5%，其中鉑、鎳、鈷等戰略金屬呈表面富集狀態。眾所周知，開采地球上的礦產資源會對生態環境和社會生活造成破壞，如果能對近地小行星上的礦產資源進行無人開采，就能減少對地球的影響。除了開采資源，小行星上還擁有豐富的水冰和氫氧化物，如果將其作為“加油站”，為人類的外星探測設施提供燃料和水，必將支持人類對太空進行更遠距離的探測。

被導師的科研開創精神和他描繪的深遠前景所深深感染，段亞博毫不猶豫地將自己的科研方向定位于太空采礦。在這一方向上，與段亞博同期的其他同學，鮮有嘗試者。有的同學認為，太空采礦領域的研究剛剛起步，不光學生，就連老師也處在科研探索階段，未來究竟能學成什么樣，誰心里都沒有底。現實一點說，如果很多年都研究不出成果，那是不是就畢不了業了，以后怎么就業？

家人朋友一聽，也覺得這事兒似乎有點懸：“到太空采礦怎么采？采礦多復雜呀，需要打坑道、搞爆破，還要選礦石就算采到了，把礦石運回地球也是個麻煩事兒，這得啥時候才能辦成，太虛無縹緲了吧？”更有甚者居然質疑這個項目是不是為了騙取經費？

一時間，各種雜音不絕于耳，但這絲毫沒有擾亂段亞博的步伐。2018年至2019年發生的兩件大事極大提振了段亞博的信心：我國“嫦娥四號”成功實現月球背面軟著陸，美國“洞察”號探測器在火星軟著陸。他意識到，人類的航天事業正進入全新的發展階段，而太空采礦技術的發展不僅能為人類獲取稀缺資源，還可牽引深空探測、人工智能、材料科學等領域的突破性進步。太空采礦是目前大國博弈的新疆域，也是科技競爭的鎬點，承載著人類文明可持續發展的希望。未來，必定大有可為。

我不讀了！

讓段亞博始料未及的是，遲遲定不下來的研究內容竟成了他讀博期間最大的困擾。太空采礦領域前景廣闊，其中能做的事情浩如煙海，但對于處在科研起步階段的團隊來說，沒有人能明確告訴他到底該從哪里著手研究，論文究竟寫什么。張克非教授對段亞博唯一的要求就是，要以測繪為切入點，把空間信息技術與太空采礦相結合，至于具體做哪方面研究，一切由他自己決定。

段亞博只好每天泡在圖書館里，他試圖從茫茫書海和網絡中找尋答案。直博的5年多里，他的科研路走得格外艱辛。有整整3年時間，他都在切換研究內容，每個研究內容都差不多做了1年，直到發現無法繼續下去時才不得不調整新方向。博二結束時，段亞博感到身心俱疲，對自己能否在太空采礦領域順利完成博士學業產生了懷疑。

為了給自己留一條退路，他傾向于選擇一個更具現實應用前景的研究內容。彼時，新能源汽車行業方興未艾，對導航技術人才需求旺盛。于是，段亞博將研究內容定在了太空采礦機器人的導航定位上。“這樣即使拿不到博士學位，也能申請碩士畢業，找個導航算法工程師的職位，收入應該不菲。”抱著這樣的實用主義想法，他開始了自己第二個課題的研究。然而，這種以退為進、過分關注個人利益的心態，讓他不知不覺偏離了科研的初心。他開始追逐一個又一個研究熱點：從SLAM（同步定位與構圖），到圖像去噪，再到圖像超分辨率課題不斷轉換，他也漸漸迷失其中。

直到張克非教授關切地詢問段亞博博士論文的進展時，他才賭氣地說：“這書我實在沒法讀了，您干脆給我轉回碩士吧！”張教授沒有責備他，而是耐心地聽他訴說自己的困惑，并語重心長地告訴他：“做學問正如登山，往往伴隨著低谷和高峰。一時的困難是常有的，貴在知難而進，持之以恒。”他進一步點醒段亞博：“你目前聚焦的導航定位技術，更多是在現有框架內進行優化，這對于我們推進太空采礦的實質性貢獻微乎其微。作為研究者，我們更應該思考如何發揮創新精神，要做那些前人未竟、真正具有開創性的工作。要去解決那些關鍵的、真正服務于國家戰略需求、推動學科前沿的核心問題。”一番話如醍醐灌頂，深深觸動了段亞博。

張克非教授問段亞博，愿不愿意加入自己一直在研究的重力場。原來，人類在進行深空探測時，探測器想要靠近小行星，必須要清楚知道對方精確的重力場。2004年，歐洲宇航局發射了著名的羅塞塔號彗星探測器，它的目的地是67P/C-G彗星。經過10年的飛行，羅塞塔號將菲萊登陸器投放到67P/C-G彗星上。這是人類第一次嘗試在彗星表面登陸。可當登陸器著陸后，彗星表面微弱的重力使它反復反彈，直到停留在一處懸崖下的深谷，徹底失去了其動力源——太陽能。事后，科學家分析這次任務失敗的原因，認為主要是對67P/C-G彗星的重力場了解不充分。

張教授繼續介紹，其實，對重力場的研究也能被應用到太空采礦上。目前在地球上，人類主要通過雷達探測來了解礦產資源的分布情況。理論上，因為有礦和無礦區域的密度不同，能直接反映到重力上，如果能掌握小行星的重力場，就能反演出小行星上礦物的分布。但研究小行星的重力場是個很難的課題，與地球不同，小行星的形狀不固定，基本上什么形狀的都有，想給它建模并不容易。之前的3年里，段亞博聚焦過太空采礦時空基準轉換、傳遞和采礦機器人導航定位技術。張教授勉勵他迎難而上，在前期研究的基礎上轉向對近地小行星重力場建模與小天體內部質量反演研究，進一步推動對近地小行星重力場研究的技術創新。

聽完導師的介紹，沉默了良久的段亞博終于點了點頭，他下定決心要摒棄之前浮躁的心態，重新聚焦于太空采礦這一充滿挑戰的領域。

“太難了！”

為了幫助段亞博更好地進行小行星的重力場研究，張克非教授向他推薦了江蘇海洋大學的尹智老師。近年來，尹智老師一直在做小天體的重力場建模，他提出并實現了使用計算流體力學技術對不規則小天體的重力場進行建模。有尹老師的引領，段亞博學得快多了，但想要真正學會這項技術，不光要學習并運用行星科學、空間信息技術、計算流體力學等多個交叉領域的知識，最難的是如何建模。它需要綜合考慮各種地外狀況，這意味著基本找不到任何已知材料。

好在有張克非教授和尹智老師的共同幫助，段亞博終于實現了不規則小行星的重力場建模，但他心里清楚，這個模型是在小行星靜止狀態下搭建的，而現實中的小行星存在自轉。可一旦加上自轉參數后，無論他怎么嘗試，建模軟件始終無法運行。有人勸他放棄添加自轉參數，那樣也能完成畢業論文。但段亞博不甘心，他想完成一篇真正有學術價值的高水平論文。“再試試，總能找出解決辦法。”段亞博不停給自己打氣。

“當時真的太難了！”段亞博重重嘆了口氣。那時，已經到了博四下學期，為了盡快出成果，他盡可能壓縮一切不必要的時間，還把行軍床搬到辦公室，一直住到了畢業。忙到連去食堂吃飯的時間都擠不出來時，體貼的女朋友就來給他送飯。

那段時間，段亞博的論文進展很不順利，他不是寫不出來就是寫不下去，有時甚至連自己到底在做什么都迷糊。他每天只有臨睡前的幾小時狀態最好，為了不打亂自己的研究思路，段亞博連休息時間都變得隨機，他有時晚上8點多就休息了，第二天或許又變成早上6點才睡。

轉機出現在2024年6月的一天。那天凌晨4點多，段亞博就從睡夢中醒來，四周空氣清新，一片寂靜，讓他感覺心曠神怡。他隨手從書架上翻出了一本書，眼睛掃過書中的“邊界值”幾個字時，他忽然想起之前尹智老師曾向他提過這一概念。那一刻，他腦海中飛速閃過了一個聲音：“能不能把邊界值加到自轉參數里試試？”段亞博一怔，趕緊放下手中的書，拿起紙筆進行推導，結果令他喜極而泣：加上邊界值后，這個旋轉的重力場方程式居然就被算出來了！他顫抖著打開電腦，修改程序代碼，果不其然，建模軟件總算可以運行了！至此，這個折磨了他近1年的難題終于被突破。

2024年11月，延畢半年的段亞博終于順利完成了自己的博士論文答辯，成為我國首位太空采礦領域的博士。

科研，從來不在一朝一夕，不是一個人或者幾個人就能完成的事業。自2017年中國礦業大學設立太空采礦國際研究中心以來，有越來越多的師生在張克非教授等專家的帶領下，在太空采礦領域發力，形成系列研究成果。

“目前小行星重力場建模與重力反演還處于相對初級的階段，我想繼續之前的方向，為推動我國太空采礦技術的進步貢獻綿薄力量。”段亞博堅信這趟“掘金之旅”，終將重塑人類文明的疆域。