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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036983]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 新型黄金——水
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如果这些资源中有些听起来很普通——水、氨、铁等，那么你要记住：地球上有价值的东西与太空中有价值的东西是不同的。水要多少钱？在地球上1加仑水大约是10美分，而在ISS上是1万美元。有些小行星资源在太空中会显得十分珍贵，而且有利可图，比如水；还有其他一些小行星资源，比如地球上供应短缺的那些资源，在地球上也是很值钱的。还有一些与小行星有关的奇异物质，比如蓝丝黛尔石[7] ，比钻石还坚硬，是C型小行星撞击地球，或者说得更安全一点，是在撞向月球时形成的。
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关于到哪里“挖掘”我们知道得越来越多了，于是一些公司开始研发小行星开采技术。由于携带采矿设备去往这些小行星费用昂贵，因此这个“哪里”至关重要——在这种情况下指的是到哪颗小行星。这就是政府的用武之地，而且我们有基于地球的类似经验可以学习。纵观人类历史，各国政府都曾资助过探险活动，以此获取本国境内所需的资源。1804～1806年，受美国总统托马斯·杰斐逊的委托，刘易斯和克拉克远征队穿越美国西部到达太平洋，花费约5万美元（相当于今天的数百万美元）。探险队不仅绘制了 刚从法国人手中获得的新领土的地图，还收集了有关木材、矿产和一个成长中国家所需要的其他资源的大量信息。也是出于这种原因，当代政府机构正在积极探索小行星，并利用望远镜和太空探测器进行深空勘探，通过解读小行星的反射光以及释放气体的光谱，来确定它们的物质含量。从理论上来说，了解小行星的潜在价值将促进商业开发。
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对小行星的所有“探险”都是机器人完成的，其中很重要的一次是NASA于2016年发射的OSIRIS-REx［Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security，Regolith Explorer（起源、光谱解释、资源识别、安全、土壤探索者）］任务。OSIRIS-REx于2018年12月抵达小行星101955号“贝努”（Bennu），并将于2023年9月携带样本返回地球供研究分析。做这些事情需要时间。OSIRIS-REx花了两年时间才到达贝努——这是一颗约500米宽的C型小行星，其宽度相当于一座摩天大楼的高度。[8] 又花了两年时间在5千米高的轨道上围绕小行星运行，以确定着陆地点和采样地点；然后，航天器仅着陆几秒钟，采集了不到2千克的样本，就离开小行星踏上了两年的返回地球之旅。[9]
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贝努是1999年发现的一颗近地小行星，每隔6年（在地球和火星之间）靠近地球一次。它被认为是一颗具有潜在危险的小行星（PHA），因为它有一天可能会撞上地球。NASA选择它进行探索主要是出于科学原因。贝努相对来说比较近，足够大，有研究价值，而且它包含了太阳系起源时的原始碳质物质。这项任务也是采矿领域的一项工程实践：如何绕轨道运行、着陆、挖掘并离开小行星。如果这些近地小行星离我们太近，让我们感到不安全，也许有一天我们能把它推离我们的轨道——或者把它转移到月球轨道上，等我们有空的时候再开发。[10]
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NASA的OSIRIS-REx并不是在小行星上着陆的第一部航天器。这一荣誉属于NASA的NEAR航天器，它于2001年降落在小行星433号爱神星（Eros）上。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）是第一个用“隼鸟号”探测器（Hayabusa probe）采集小行星样本的，“隼鸟号”探测器于2005年在小行星25143号“丝川”（Itokawa）上停留了大约30秒。采样并不像计划的那样顺利，直到2010年太空舱返回地球，JAXA才确定它取回了什么东西。这些样本并不是JAXA所希望的大块岩石，更像是尘埃；尽管如此，但这毕竟是从小行星上带回的第一个样本。JAXA还证明了离子推进器的作用。它是在小行星上以及围绕小行星进行精确机动的理想工具。2018年6月，“隼鸟2号”抵达小行星162173号龙宫（Ryugu），并进行了类似的实践。此次飞行搭载了4辆小行星表面微型漫游车，计划于2020年带样本返回。[11] 这些漫游车跟你见过的都不一样——没有轮子。龙宫上的重力非常小，车轮无法抓住地面。所以，这些漫游车看起来像盒子一样在小行星表面翻滚。这次任务可能会使日本成为小行星采矿的先锋。
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小行星162173号龙宫
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日本“隼鸟2号”探测器于2018年抵达龙宫，目标是让漫游车着陆，探索小行星表面，并将样本带回地球。龙宫富含铁、水以及其他资源，约有1千米宽。从右图可以看到“隼鸟2号”接近时在其表面投下的阴影。
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事情似乎自相矛盾。从我的描述看，在小行星上着陆就如同与ISS对接一样简单，而事实却证明这比在月球上着陆或采集样本还要困难。造成这一困难的原因有三个：小行星比月球远，与探测器的往返通信有几分钟延迟；小行星的表面坑洼不平，探测器需要消耗大量燃料进行快速绕飞才能找到最佳着陆点；这些任务的运行支出低得不能再低，与阿波罗时代“钱不是问题”的自由相去甚远。[12] 但是熟能生巧。
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2018年11月退役的NASA“曙光号”（Dawn）探测器使用离子推进技术进入并离开了灶神星和谷神星这两个天体的轨道，成为完成此举的第一枚探测器。此举很能说明一个问题：NASA引入新技术来服务其主要目的——空间科学，但同时也在为先进的太空探索做准备。我们在小行星采矿和火星旅行方面都需要离子推进技术。
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随着人类越来越擅长在小行星上着陆，私营企业也开始制订商业计划，打算原地开采这些岩石，再将其拖到离地球更近的地方，为其他公司或政府提供服务，使他们能够在太空工作。行星资源公司（Planetary Resources，Inc.）分别在2015年和2018年发射了两颗卫星以测试低成本的望远镜技术，用于天文学、地球观测以及发现和跟踪利润丰厚的小行星。2018年10月，行星资源公司被康瑟斯公司（ConsenSys）收购，后者是一家开发用于加密货币的区块链软件和工具的公司。该公司推测，加密货币可能被用于太空采矿投资，以及随后的矿物材料销售，最终取代地球上以政府为基础的金融机构。[13] 同样，深空工业公司（Deep Space Industries，DSI）也正在制订一项在太空赚钱的商业计划，最终通过建设一系列轨道加油站来销售从小行星上开采的水、氧或氢。然而，深空工业公司近期正在制造推进系统，让航天器能从近地轨道跳到高地球轨道，或者以更低的成本改变Δv 。此举将使人们可以开采更多的小行星。例如，在轨道上达到4.5千米/秒的Δv 时，你可以到达大约2.5%的近地天体。当Δv 提高到5.7千米/秒时，你就可以到达大约25%的近地天体。[14] 通过这种方式，深空工业公司正在一步步建立一个商业化的深空市场。
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哈佛-史密森尼天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的类星体专家马丁·埃尔维斯（Martin Elvis）近年来对小行星采矿产生了浓厚兴趣。他说，一颗直径约30米的小行星可能含有300吨的水。其中所含的氢可以为从近地轨道飞往火星的任务提供足够的燃料。一家私营企业或许可以为NASA或ESA的火箭提供高达10亿美元的燃料。[15] 许多专家推测，在月球上采矿虽然很具挑战性，但是有了这些燃料，开始会容易一些。一旦技术成熟，小行星就可以提供取之不尽的资源。私营企业在关注这些项目的同时，也在努力降低进入太空的成本，这是目前着手采矿的主要限制。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036984]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 谁想成为亿万富翁？
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谁拥有这些小行星？根据《外层空间条约》的规定，小行星不归任何人所有，或者说归所有人所有。我在前一章曾指出，该条约含糊不清，可能会重新拟定或至少重新解释，以允许小行星采矿的商业化。有些人可以很有说服力地争辩说，任何公司从月球上获利都是不公平的——例如，仅仅为了给火箭提供燃料而烧掉所有珍贵的水，但这种论点对于小行星来说站不住脚。有那么多小行星——确切地说地球上每个人都能拥有一颗，而且它们没有生命，就像月球一样。考虑到地球上的资源有限，不开发太空所提供的资源是愚蠢的。为什么小行星落到地球以后才能进行开采，比如现在（事实上也已是数十亿年后的事了），而不是当它们在轨道上的时候就开采呢？
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天体物理学家尼尔·德格拉斯·泰森曾说过，第一批万亿富翁将是那些开采小行星资源的人。这可能有些夸张。亿万富翁，是的，当然。万亿富翁？嗯，正如刚才提到的，有太多的小行星，任何一个人都无法独占。而仅仅抓住一颗价值上万亿美元的富含铂的小行星，并不意味着你就能卖出价值上万亿美元的铂。生产如此大量的铂会导致原材料价格下跌，从而降低采矿的利润。如果哪位太空大亨想囤积资源，那其他人就会在数十亿颗小行星中找到另外一颗。但是大量事实表明，小行星的主人可以为燃料和其他资源建立一个市场，使之成为价值数万亿美元的充满活力的太空经济的一部分。
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首先被开采的小行星应该是距离地球最近、基本上唾手可得的那些。有趣的是，这些小行星被认为既危险又有价值：危险是因为它们够大，也够近，一旦与地球相撞，就足以毁灭生命；有价值也是因为它们够大够近，从而可以在它们上面着陆并采矿。
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日本正在探索的小行星龙宫是最有可能被开采的小行星之一。龙宫直径约1千米，富含水、氨、钴、铁和镍。1千米在宇宙中似乎是微不足道的东西，但你试着想象一幅地球上同样大小的露天矿坑的画面，矿坑中有一些卡车和挖掘机。如此小的体积就可以提炼出数百万吨的物质。在龙宫的成分中，首先最珍贵的是水。几十年后，氨对于人类在月球或火星上定居也将非常重要，因为这些地方缺乏大规模农业所需要的氮。实际上，地球上并不缺乏镍和铁，在我们开始建造太空飞船和在轨城市等大型设施之前，太空也不需要镍和铁。不过，地球上可能很快就需要星状钴，因为钴的开采往往会导致中非的劳工剥削行为，从而地球上会出现因伦理问题导致的短缺。
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其他目标小行星有1989 ML、海神星（Nereus）、孪大星（Didymos）、2011 UW158和侣神星（Anteros）。2011年发现的2011UW158小行星直径只有300米，蕴藏着大量的铂。我提到这一点只是为了强调这样一个事实，即每年都会发现有可能被利用的小行星。且这些小行星的开采将主要由机器人完成。小行星开采在很多方面具有一致性，都是在松散碎石组成的低重力小行星上进行作业，可以用螺旋输送机刮去小行星表面，也可以用磁铁耙。其他挥发性物质，如氨或水，可以加热后收集蒸汽。更坚硬的小行星可以通过打竖井的方式开采。一些几十米大小的较小的小行星可以拖到近地轨道，“停放”在空间站旁边，让生活在太空的工作人员逐步开采。
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NASA的“小行星重定向任务”（Asteroid Redirect Mission，ARM）计划与一颗近地小行星会合，然后利用机械臂或者其他方式抓住它，之后再把它拖到地月之间的轨道上。根据白宫太空政策1号指令（White House Space Policy Directive 1），该任务于2018年被取消，新的优先任务是登月。ARM的目标是一颗非常小的小行星，直径只有几米，但仍然含有好几吨物质，原打算把它拖到一个稳定的月球轨道之上，然后让宇航员进行开采——也就是说，凿出样本，然后带回地球。该项目的一项关键技术是太阳能电推进（solar electric propulsion，SEP）技术，即利用太阳能电池阵列产生的电力来产生电磁场，用以加速并排出带电离子，通过高效利用推进剂来产生精确的推力。学会以低推力控制大质量物体将有益于未来的火星任务。关于这一点我还想说，执行火星任务的飞船可以先与小型小行星交会，将之粉碎成很细的沙砾，然后覆盖在飞船外表，形成辐射屏蔽层，从而解决火星旅行的飞船防护问题，否则从地球上发射这样的飞船太沉。ARM还验证了行星防御技术，因为将小行星拖向地球的能力也意味着将小行星拖离地球的能力。但是，该项目被搁置在了NASA的仓库里等待重新注入资金。
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在小行星采矿成为可能之前，要研发许多技术，更不用说需要完善的相关技术了。其中包括精确机动、停泊在低重力天体表面，以及在几乎零重力的环境下处理矿石。在考虑开采月球或小行星时，需要权衡利弊。月球始终是比较近的，你可以建立大规模的长期作业。重力将较重和较轻的元素分离开来。不利的一点是，仍然有引力井要对付。因为重力只有0.16G以及缺乏大气制动，重型设备着陆很困难。减缓下降速度需要点燃发动机消耗燃料。在能够安装质量驱动器将月球表面物质抛出去之前，月球发射或出口也需要消耗大量燃料。月球的逃逸速度是2.38千米/秒，大约是高速飞行的子弹速度的2倍。小行星距离地球较远，但由于Δv 较小，即在小行星上着陆所需的速度变化不大，减速所消耗的燃料也就不多。这些只有几百米大小的小行星的引力可以忽略不计，在其表面着陆就像与空间站对接一样。逃逸速度也很低，仅几米/秒。你可以从大多数小行星上跳下来，但采矿设备确实需要被锚定，这样挖掘时（作用力）就不会把机器推离小行星表面（反作用力）。面对所有这些挑战，在接近零重力的环境下采矿还从未实现过。正如我们在JAXA的“隼鸟”任务中看到的，即使是一次快速挖掘也很有挑战性。
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