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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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去小行星采矿  

2013-02-28 07:40:20|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:广林星云(天文及航天科普撰稿人)

2013年1月15日,一颗编号为2012DA14,直径约45米左右的小行星从极近处飞掠地球,距离最近时仅有27000千米,甚至比同步卫星的距离还近。恰巧在同一天,俄罗斯车里雅宾斯克遭遇了一场突如其来的陨石雨,陨石在空中爆炸引发的冲击波震碎了当地房屋的门窗玻璃,并导致1200余人受伤。这两次事件加深了人们对地球未来遭遇小行星撞击的忧虑,不过也引发我们思考这样一个问题:能不能将这些危险的“不速之客”变害为宝,让这些“送上门来”的宝贵资源得到充分利用呢?

事实上,利用小行星上的宝贵资源造福人类这一想法由来已久。小行星是太阳系早期的孑遗,目前已知太阳系内共有70万颗以上的小行星,其中90%以上分布在火星和木星轨道之间称为“小行星主带”的区域,其余则散落太阳系各处,有的还经过地球附近,对地球的安全构成潜在威胁。通过对小行星的光谱以及对落在地球上的陨石进行分析,科学界目前将小行星划分为石质、碳质和金属等多种类型。这其中,金属型的小行星主要由铁、镍构成,并含有多种金属元素,特别是铂、钴、铑、铱、锇等珍稀金属。据亚利桑那大学的约翰·刘易斯教授分析,直径仅1千米的普通小行星重达20亿吨,其中含有2亿吨铁,3000万吨高品质镍,150万吨战略金属钴以及7500吨铂系金属混合物,单单铂的价值就高达1500亿美元。事实上,地球形成时这些密度较大的金属元素大都沉入地核,现今能找到的重金属矿藏有许多正是后来小行星撞击地球表面的产物。在全球金属消费量日渐攀升,地球金属资源即将耗竭的今天,设法开发小行星蕴藏的金属资源显得尤为必要。


【艺术家Denise Watt绘制的近地小行星采矿设想图,来自spaceflight.nasa.gov】

相比开发月球、火星等星球而言,开发小行星资源具有显著优势:小行星的重力几可忽略不计,大大方便了飞船起降和采矿设备的建设,还可为高技术产业研发提供低重力环境;小行星的总数巨大,总表面积大,化学组成多样化,可提供不同的资源以供开采利用:珍稀金属可运回地球,普通金属可就地利用,用于搭建太空中的采矿营地及居所;碳质小行星上富含的水冰可分解成飞船所需的氢氧燃料,或用来满足航天员的生活需要,降低太空采矿的成本。然而,小行星的低重力环境也是一把双刃剑,加之缺少磁场、大气层和臭氧层,无法屏蔽太阳及宇宙辐射,对航天员的健康构成严重威胁;主带小行星距离太阳十分遥远,太阳能的利用率只有地球附近的几分之一至十几分之一; 大多数小行星的结构疏松,开采和利用较为低效;主带小行星遭受陨星撞击较为频繁,可能很容易将辛苦建成的营地摧毁。这些都是开发小行星资源不得不面对的问题和挑战。

要开采一颗小行星,首先要选好目标。初期的太空采矿理所当然会把近地小行星作为首选目标。在小行星上着陆,需要将锚链像炮弹一样发射出去,牢牢钉死在小行星表面,再逐步收紧锚链使飞船降落。由于主带小行星距地球有数十分钟的通信时差,将采矿完全交由自动机械来做似乎不太靠谱,可能需要建设采矿监视站,由专业人员定期巡视并维护。最后,还需要考虑如何将开采得到的矿物运回地球。目前所设想的运输方案主要有直接运送矿石回地球,就地冶炼后运回金属,甚至将小行星整体拖曳到绕地轨道再行开采。相比运送矿石,运回金属可大大降低运输成本,但需要将冶炼设施先行运至采矿地点。最后一种设想看似离谱,但以现有的技术手段并非无法做到,且俘获来的小行星可为建设太空补给站提供平台,同时也能为未来地球防御小行星撞击事件进行先期的技术储备与实践。

截至目前,人类对小行星还仅仅停留在零星的无人探测阶段。第一次对小行星的近距离探测始于美国1989年发射的木星探测器“伽利略”号,它顺路拜会了两颗小行星“加斯帕”和“艾达”,并发现后者有一颗卫星。第一个专门的小行星探测器“会合-舒梅克”号在1996年发射,它在拜访小行星“梅西尔德”后环绕并降落在爱神星上。2010年,日本于五年前发射的“隼鸟”号在小行星“丝川”登陆采样后,克服千难万险成功返回,首次将小行星的样品送回地球。目前尚有美国的“黎明”号,它于去年七月结束对灶神星的考察前往谷神星,预计2015年到达。与世界领先水平相比,我国在小行星探测领域才刚刚起步。2012年12月13日,“嫦娥二号”在距离3千米处飞掠4179号小行星“图塔蒂斯”并用太阳翼监视相机拍下近距离清晰影像,从而实现了中国小行星探测 “零”的突破。

但更大胆的行动也正在策划当中。“行星资源”公司于2010年11月成立,并已得到谷歌首席执行官拉里·佩奇与著名电影导演詹姆斯·卡梅隆等众多富豪的资助。它的目的是要借开发与实践小行星采矿的技术“扩大地球的天然资源基础”。为了实现自动化小行星采矿这项长远目标,该公司现已开始制造用于观测小行星的太空望远镜,下一步将遣送探测器到选定的小行星附近进行勘察。与此同时,另一家名为“深空工业”的公司也跃跃欲试,计划在两年内发射第一架名为“萤火虫”的无人探测器。美国和俄罗斯的航天部门以及民营的“太空探索技术”公司也都在计划发展能将载人飞船送往小行星和火星的重型运载火箭,它们分别名为“太空发射系统”、“安加拉”和“重型猎鹰”。

开发小行星资源将为人类带来怎样的机遇与挑战?《赶往火星》一书的作者罗伯特·祖布林认为,未来地球、火星和小行星带之间有可能形成新时代的“三角贸易”:将高技术产品从地球运去火星,将低技术生产和生活用品从火星送往小行星,最后将开采小行星获得的金属矿物带回地球,如此可大大降低主带小行星的采矿成本,并将使人类文明冲出地球,放眼太阳系。不过,随之而来的太空政治化,以及将珍稀金属大量运回地球可能引发的金融动荡等一系列后果也发人深省。无论如何,铂系金属的广泛应用至少将大大推动以此为催化剂的化工、环保和制药行业,给我们带来更廉价的药物,更好的生活质量和更洁净的天空。

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