晨陽 馬俊

如何從月球開采“無盡的能源”

美國“太空”網(wǎng)站在介紹為何美；國國家航空航天局（NASA）要急著“重返月球”時(shí)，特意提到了月球資源的商業(yè)開采前景，其中最受關(guān)注的當(dāng)屬月球上儲(chǔ)量豐富的氦-3資源。

據(jù)介紹，可控核聚變具有能量密度大、清潔、燃料豐富、安全性高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是人類的終極能源，而氨-M能提供“最清潔的可控核聚變能源”。它作為可控核聚變的燃料之一，產(chǎn)生的能量是鈾-235核裂變反應(yīng)的12.5倍。更重要的良，與氘、氚等核聚變?nèi)剂喜煌?，?3在聚變反應(yīng)中不會(huì)產(chǎn)生中子二次輻射危險(xiǎn)，更加清潔和可控。100噸氦-3核聚變產(chǎn)生的能量即可供應(yīng)全球使用1年。另外，氦-3是獲得極低溫環(huán)境的關(guān)鍵制冷劑，是超導(dǎo)、量子計(jì)算等前沿研究領(lǐng)域的必需物質(zhì)。

業(yè)內(nèi)專家告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，地球上氨元素主要是氦-4，氦-3儲(chǔ)量只有0.5噸左右。但在地球上稀缺的氦-3,在月球上卻是儲(chǔ)量驚人。專家介紹說，月球上的氦-3主要來自太陽風(fēng)的輻照。作為太陽核聚變的產(chǎn)物，攜帶氦-3的太陽風(fēng)持續(xù)向宇宙空間噴發(fā)。當(dāng)太陽風(fēng)吹到月球時(shí)，由于月球沒有大氣和磁場，它就如同一個(gè)超級(jí)收集器，將氨-3存儲(chǔ)在月球表面的月壤里?？茖W(xué)家估計(jì)，在月球形成的數(shù)十億年間，可能遭到多達(dá)數(shù)億噸氦-3粒子的撞擊，其中相當(dāng)部分被保存在月壤中。而地球的大氣層和磁場雖然保護(hù)了生命的演化，但同時(shí)也將攜帶氦-3的太陽風(fēng)阻擋在外，這也是地球上氦-3稀缺的主要原因。

美國“阿波羅”計(jì)劃和蘇聯(lián)“月球”系列探測器取回的月球樣本也都證明，氦-3在月球表面的含量遠(yuǎn)高于地殼含量，預(yù)計(jì)在月壤中的氦-3總量在65萬-322萬噸左右。這意味著從月球獲得的氦-3足以滿足地球上萬年的能源需求。因此在近年的月球商業(yè)開發(fā)熱潮中，不少企業(yè)都提出了從月球上提取氦-3的設(shè)想。美國“曲會(huì)山”網(wǎng)站稱,一家美國核能公司此前已經(jīng)就開采月球氦-3資源簽署了一份意向性協(xié)議，其中設(shè)想利用特種月球車收集月球表層的月壤，將它們運(yùn)送到處理室中分離出氦-3并儲(chǔ)存起來，等待運(yùn)載火箭將其送回地球。據(jù)稱，在月球收集氦-3的相關(guān)設(shè)備已經(jīng)在地面進(jìn)右了實(shí)際測試。

但英國倫敦大學(xué)的伊恩?克勞福德教授對(duì)于從月球提取氦-3的經(jīng)濟(jì)可行性提出質(zhì)疑。他表示，由于氦-3在月壤中沒有形成類似地球礦脈那樣的富集區(qū)域，因此想要分離足夠的氦-3就必須處理海最的月壤，這意味著需要相當(dāng)龐大的處理設(shè)施。相關(guān)研究報(bào)告顯示，如果要達(dá)到每年從月球收集100噸氦-3的能力，考慮到月壤的氦-3含量非常少（雖然相比地球含量已經(jīng)很高了），需要上千輛專用礦車才能滿足需求。再加上龐大的處理設(shè)備以及往返地月的太空運(yùn)載工具，前期投入可能高達(dá)上萬億美元。

克勞福德還提到，當(dāng)前對(duì)于月球氦-3儲(chǔ)量的估算主要都是基于美國和蘇聯(lián)從月球低緯度地區(qū)帶回的樣本。但氦-3在月球上是否可能存在分布不均的情況？這還需要未來進(jìn)一步對(duì)于月球南北極地區(qū)樣本的考察。

專家介紹說，中國對(duì)嫦娥五號(hào)探測器獲得的月球樣本的最新研究成果，有助于推進(jìn)月球氦-3的開采。此前的研究認(rèn)為，想要從月壤中分離氦-3,必須提供700攝氏度以上的高溫環(huán)境，這樣不但耗能較高，而且速度慢，不利于在月球上原位開采。而中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、航天五院錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院物理研究所和南京大學(xué)等諛合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，月壤中鈦鐵礦顆粒表面存在一層非晶玻璃，它具有極高的穩(wěn)定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。因此通過機(jī)械破碎法，可在常溫下提取以氣泡形式儲(chǔ)存在鈦鐵礦顆粒中的氦-3,而不需加熱至高溫。而且鈦鐵礦具有弱磁性，可通過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便于在月球上原位開采。根據(jù)月球鈦鐵礦總量估算，以氣泡形式儲(chǔ)藏的氦-3總量或高達(dá)26萬噸，如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。這些結(jié)果不但為月球上氦-3的富集機(jī)理提供了新的見解，也為未來月球氦-3的原位開采利用奠定了理論基礎(chǔ),對(duì)探尋月球資源的有效利用路徑具有重要意義?！?/p>

月球還有哪些礦產(chǎn)值得開采

除了氨-3之外，月球上還有大量礦產(chǎn)存在開采價(jià)值。其中備受關(guān)注的就是稀土元素和放射性元素。眾所周知，稀土元素具有獨(dú)特的磁性或催化性能，是電子器件中的關(guān)鍵成分，也在導(dǎo)彈、智能武器、導(dǎo)航儀、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等軍事高新技術(shù)領(lǐng)域肴重要應(yīng)用價(jià)但這些稀土元素的開采難度大、成本高，而且在地球上的分布很不均勻。

英國廣播公司網(wǎng)站稱，月球上的稀土元素和放射性元素廣泛存在于克里普巖中。據(jù)介紹，月球形成之初，曾被深達(dá)數(shù)百公里的巖漿洋覆蓋。隨著溫度降低，巖漿開始固化，形成巖石。當(dāng)巖漿洋結(jié)晶程度達(dá)到約98%時(shí)，不相容元素(不喜歡進(jìn)入固體，而喜歡進(jìn)入熔體的元素)在殘余熔體中高度濃縮，最終在月殼和月幔之間形成克里普巖夾層，它因富含鉀、稀土元素和磷而得名。據(jù)估算，月球克里普巖中蘊(yùn)藏的稀土元素、釷、鈾的資源量分別約為6.7億噸、8.4億噸和3.6億噸。

報(bào)道還提到，在地球上提煉稀土素可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染?！翱紤]到這點(diǎn)，月球是個(gè)最佳替代選擇。它可能是個(gè)價(jià)值數(shù)萬億英鎊的巨大市場”。

考慮到傳統(tǒng)開采稀土元素的方法并不適用于月球或太空環(huán)境，科學(xué)家們正在尋求新概念的開采方法，其中就包括利用微生物的“生物采礦”。英國《自然?通訊》雜志稱，英國科學(xué)家評(píng)估了國際空間站上3種細(xì)菌在微重力、模擬火星重力和地球重力三種條件下的生物采礦潛力，并測量了這些細(xì)菌的提取效率——從玄武巖（類似于月球和火星表面的大部分物質(zhì)）浸出的14種不同稀土元素的含量。其中一種名為鞘氨醇單胞菌的微生物在三種重力條件下都能讓玄武巖浸出稀土元素，而且該細(xì)菌的浸出率在三種重力條件下都差不多，玄武巖中含量最豐富的稀土元素的浸出率最高。

此外，月球的其他礦產(chǎn)資源也極為豐富，地球上最常見的17種元素，在月球上比比皆是。以鐵為例，僅月面表層5厘米厚的砂土中就含有上億噸鐵，而整個(gè)月球表面平均有10米厚的砂土。月球表層的鐵不僅異常豐富，而且便于開采和冶煉。例如，月球上的鐵主要是氧化鐵，只要把氧和鐵分開就行；此外，科學(xué)家已研究出利用月球土壤和巖石制造水泥和玻璃的辦法。在月球表層，鋁的含量也十分豐富。

值得注意的是，在月球開采的礦產(chǎn)資源并不一定要全部運(yùn)回地球。伴隨著人類走向太空，不可能所有建筑材料都要由地球提供。月球豐富的礦產(chǎn)儲(chǔ)備和低重力環(huán)境，讓它可以為建造月球基地乃至太空設(shè)施提供大量關(guān)鍵原料。▲

開采小行星是否可行?

相比于“月球開礦”，在距離人類更遠(yuǎn)的小行星上進(jìn)行資源采集聽上去似乎更不可行。但科學(xué)家們卻認(rèn)為,從技術(shù)上講，這并非沒有可能。

根據(jù)NASA方面的統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上萬顆近地小行星，在木星和火星軌道之間還有一個(gè)由數(shù)百萬大小不一的巖石組成的小行星帶。它們大都是在太陽系形成時(shí)留下的殘余，除了科研價(jià)值外，其中部分小行星還蘊(yùn)含著豐富的資源，比如純度較高的鐵和鉗等金屬原料。

相比于在月球或火星上開礦，小行星上幾乎沒有重力，可以輕易運(yùn)走大塊材料，可行性更高。因此“小行星開礦”也贏得了各國的高度關(guān)注。2015年11月，美國時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬簽署《美國商業(yè)太空發(fā)射競爭法案》，其中允許具備必要技術(shù)登陸小行星的個(gè)人或企業(yè)占有行星以及其他太空資源。2016年，盧森堡政府成為第一個(gè)明確表現(xiàn)出對(duì)小行星礦業(yè)生意具有濃厚興趣的歐洲國家。

據(jù)介紹，“小行星開礦”的第一步是利用專業(yè)設(shè)備確認(rèn)目標(biāo)小行星的礦產(chǎn)種類和開采前景。美國私營企業(yè)“行星資源”公司正在借助衛(wèi)星搜尋最適合開發(fā)的小行星。而NASA計(jì)戈明年啟動(dòng)Psyche小行星探測任務(wù)。這顆編號(hào)“16 Psyche”的小行星可能是太陽系形成早期一顆未能成形的小型行星的裸露金屬核，直徑達(dá)140英里，主要由鐵、鐐和稀有金屬構(gòu)成。之前曾有媒體估算，如果將這顆小行星上的所有金屬運(yùn)回地球，其價(jià)值總額將是一個(gè)天文數(shù)字。

據(jù)稱，在技術(shù)方案選擇方面，采礦機(jī)器設(shè)備可采用太陽能供電，能減少從地球運(yùn)往小行星所需燃料；在開采過程中，所有飛船和設(shè)備須緊緊固定在小行星上，以防因失重而飄走迷失于太空。

“行星資源”公司總裁兼首席工程師克里斯?列維奇表示，開采小行星并不神秘，“我們只是在重復(fù)歷史上已經(jīng)做過的事情，就如同殖民者登上北美大陸，利用當(dāng)?shù)刭Y源發(fā)展和壯大?！彼硎?，考慮到擺脫地球引力需要耗費(fèi)大量燃料，“無論前往太陽系的任何地方，只要登上地球軌道，路程就走了一半。”因此盡力利用小行星上的資源是最為經(jīng)濟(jì)可行的辦法。例如小行星上擁有豐富的水、鐵、鐐和鉆等資源?！笆褂?D打印等技術(shù)，可從小行星獲取材料，然后制造出各種東西。這樣就再也不用從地球用火箭運(yùn)送工具、機(jī)械甚至駐地材料，從而進(jìn)一步降低太空探索的成本?！钡瑫r(shí)承認(rèn)，小行星開發(fā)還存在技術(shù)和法律問題，有待進(jìn)一步解決。▲