我們需要一個太空資源研究所

月球和其他天體最終將被開發利用;以深思熟慮和有組織的方式進行至關重要

加入我們的科學愛好者社群!

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點


五十年前的七月,阿波羅 11 號將首次載人任務送達月球表面。今天,美國正處於太空復興的邊緣——將宇航員送回月球,首先是在軌道空間站上,然後返回月球表面。 除此之外,美國宇航局、其國際合作夥伴和商業公司正在尋找和開採月球水——氫燃料和氧氣的基本組成部分。

位於月球或小行星等天體上的水或冰是一種太空資源。在過去的 20 年裡,深空探測已經在月球、火星、小行星帶,甚至在木星和土星的衛星上發現了潛在的水礦藏。

利用原位資源利用(ISRU)技術,這些礦藏可以轉化為氫或氧,從而為未來的太空任務提供燃料和補給。從長遠來看,這些太空資源還可以降低前往小行星帶、巨行星和柯伊伯帶等深空位置的無人探測任務的成本。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。 透過購買訂閱,您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。


商業利益也對開採太空資源感興趣。如果水可以在太空中提供(相對)廉價的燃料補給服務,它可能會促進商業航天產業的增長。 例如,已經有對小行星採礦的興趣,以尋找鉑或其他有價值的金屬。 據估計,2018 年全球航天工業的價值超過4000 億美元。 到 2030 年,由於包括太空資源在內的新技術和商業創新,該行業的規模可能會翻一番。 美國有能力抓住這一增長的相當一部分,但這遠非必然。 需要進一步關注科學研究。

最近,兩黨“太空資源研究所法案”已在國會兩院提出(H.R. 1029S. 391)。 這項提案可能會進一步解鎖太空資源技術,它來自科羅拉多州國會代表團的四名成員:眾議員蒂普頓、眾議員珀爾馬特、參議員加德納和參議員貝內特。 根據“維持美國在太空領域的卓越地位”的目標,該法案將指示美國宇航局在六個月內調查建立實體或虛擬太空資源研究所的可行性和必要性。 具體目標包括:

  • 識別、開發和分配太空資源,包括鼓勵基礎科學和技術的發展。

  • 降低與識別、開發和分配太空資源相關的技術風險。

  • 開發使用太空資源來支援當前和未來的太空架構、計劃和任務的方案;並實現其他方式不可能實現的此類架構、計劃和任務

但不僅僅是美國在尋求在太空領域處於領先地位。在資源方面,盧森堡、布魯塞爾和阿拉伯聯合大公國正在為其自身的願望奠定基礎。

未來研究所的一個重要工具將是美國宇航局的月球軌道平臺-門戶,這是一個環繞月球的深空空間站。 在 2019 年初,加拿大成為第一個正式加入美國主導專案的國家。 美國宇航局在國際空間站上的其他合作伙伴,包括歐洲航天局、JAXA 和俄羅斯航天局,都表示有興趣加入該專案。

該門戶將作為月球科學的基地,透過政府和商業合作伙伴支援載人和無人月球探測。 它還將提供一個獨特的實驗室,以研究深空惡劣環境中的人類健康和其他主題,並建立在國際空間站在地球軌道上的成功之上。

美國太空競爭力恢復的關鍵發展是私營部門參與者和商業創新的作用。 2011 年,美國僅佔全球商業太空發射市場的一小部分。 在 2011 年太空梭退役後,美國失去了載人飛行發射能力。 作為回應,美國宇航局的合同和支援開發了商業發射能力。

到 2017 年,美國公司提供了全球商業發射的近三分之二。 在明年,SpaceX 和波音公司都計劃首次將宇航員送往國際空間站。 最近,私人運輸選擇已被考慮用於即將到來的月球任務。

2015 年,國會通過了《商業太空發射競爭力法案》,為美國商業公司開採太空資源提供了更大的產權法律確定性。 2018 年底,美國宇航局、學術界和私營部門的利益相關者聯盟釋出了商業月球推進劑架構。 該研究確定了在月球上提取水並將其轉化為燃料的技術和經濟可行性。 短期內,該研究發現,基於月球資源的燃料補給每年可產生超過 20 億美元的收入。 2019 年 3 月,美國宇航局宣佈,它正在解封原始阿波羅任務中儲存的月球岩石樣本,以便專門進行更高階的分析

美國宇航局現有的研究機構對於實現該機構在與太空探索相關的基礎和應用科學方面的目標至關重要。 美國宇航局總共在全國各地主持或資助了60 多個研究所的活動。 這些研究所的結構各不相同,包括聯邦實體、大學、私人承包商和跨部門合作。

每個研究所的專業和科學任務各不相同; 值得注意的研究能力包括系外行星、天體生物學、先進製造和生物醫學研究等關鍵領域。 最近,美國宇航局開始資助太空技術研究機構,這是一項由大學主導的研究計劃,旨在開發專門用於深空探索的技術。 前兩個分別專注於生物工程和超強複合材料,既可以增強太空能力,也可以開發用於地球的新技術。

太空資源研究所將發揮類似的作用,儘管它將專注於特定的任務需求,而不是特定的應用科學。 太空資源本質上是跨學科的。 需要多個新系統來整合整個航天工業的技術,才能成功地在太空中開發水或礦產資源。 太空資源任務對先進工程有要求,以解決深空中的真空、微重力、極端溫度波動、輻射和其他危險。 其他相關的挑戰包括資源調查和表徵、太空資源經濟以及加工和製造技術。

為了在 2030 年代依靠 ISRU 技術的燃料補給進行火星任務,美國宇航局需要儘快鼓勵其創新和採用。 該研究所將充當美國宇航局和不斷增長的商業航天部門之間的橋樑。 正如聯合發射聯盟、SpaceX、藍色起源、維珍銀河和其他發射供應商所證明的那樣,商業公司可以推動技術發展並降低成本。

私營部門的研究、開發和示範 (RD&D) 提高了科學任務的能力。 在勘探、提取和處理太空資源的技術方面,公私合作將鼓勵良性反饋迴圈。

太空資源研究所還可以證明對國家經濟競爭力至關重要。 當美國第一次登上月球時,只有美國和前蘇聯有能力發射月球任務。 今天,許多航天國家已經發射或計劃發射此類任務。 值得注意的是,以色列正在進行的月球創世紀著陸器任務是從佛羅里達州由 SpaceX 火箭發射的。

Alex Gilbert is an independent consultant who specializes in energy governance and economic. He is currently a Non-Resident Fellow at the Payne Institute for Public Policy at the Colorado School of Mines, working on on policy issues related to space resources and space energy technologies.

More by Alex Gilbert

Morgan D. Bazilian is a professor of public policy and executive director of the Payne Institute for Public Policy at the Colorado School of Mines. He is an affiliated faculty member with Mines' Space Resources program, which just started offering a first-of-a-kind Ph.D. in space resources. Follow Bazilian on Twitter @MBazilian

More by Morgan D. Bazilian
© .