太空采礦：腳踏實(shí)地，目標(biāo)星辰大海

近期，我國首位太空采礦領(lǐng)域博士研究生、中國礦業(yè)大學(xué)2024屆環(huán)境與測繪學(xué)院大地測量學(xué)與測量工程專業(yè)學(xué)生段亞博畢業(yè)，太空采礦研究引發(fā)廣泛關(guān)注。

段亞博在進(jìn)行太空采礦仿真模擬

與此同時(shí)，中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的全國首臺(tái)多功能集成化太空采礦機(jī)器人申請國家發(fā)明專利，已通過初審，即將進(jìn)入實(shí)質(zhì)審核階段。這臺(tái)機(jī)器人不僅能適應(yīng)太空的微重力環(huán)境，還配有仿生六足移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以在小行星坑洼不平的地面上行走。

這是中國礦業(yè)大學(xué)太空采礦領(lǐng)域研究取得的新進(jìn)展。

何為太空采礦？簡單說就是開采地球外的礦物資源。太空采礦不僅僅是傳統(tǒng)意義上的挖礦，涉及全系勘探、無人開采和原位利用，需要綜合利用空間科學(xué)與技術(shù)、采礦學(xué)、行星學(xué)、天體力學(xué)、天體物理學(xué)、地質(zhì)工程等理論與方法，研究與礦產(chǎn)資源、軌道資源、太陽資源等太空資源開發(fā)與利用相關(guān)的，從近地到深空、從表層到深部的定位定向、資源評(píng)估、全息探勘、無人開采、智能分選和原位利用的科學(xué)與技術(shù)。

2012年，時(shí)任中國礦業(yè)大學(xué)校長的葛世榮與中國工程院院士李德仁碰頭，計(jì)劃在中國礦業(yè)大學(xué)推動(dòng)太空采礦領(lǐng)域研究。2016年，長期從事衛(wèi)星定位及大地測量學(xué)研究的張克非入職中國礦業(yè)大學(xué)，牽頭推進(jìn)太空采礦領(lǐng)域研究。2018年初，中國礦業(yè)大學(xué)成立太空采礦國際研究中心。中國礦業(yè)大學(xué)資源環(huán)境技術(shù)研究院院長張克非任太空采礦國際研究中心主任。

據(jù)了解，太空采礦國際研究中心圍繞太空采礦的關(guān)鍵技術(shù)與目標(biāo)，依托中國礦業(yè)大學(xué)在礦業(yè)領(lǐng)域的研究優(yōu)勢，借助武漢大學(xué)在多光譜遙感方面領(lǐng)先的遙感技術(shù)、中國空間科學(xué)技術(shù)研究院航天航空發(fā)射和裝備的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的太空導(dǎo)航與空間環(huán)境管理技術(shù)和理論優(yōu)勢開展研究。

該中心設(shè)立5個(gè)研究方向，即太空導(dǎo)航基準(zhǔn)與遙測、太空采礦智能裝備、太空資源勘探與采選、太空采礦空間安全、太空資源綜合利用。

近年來，太空采礦國際研究中心依托中國礦業(yè)大學(xué)“雙一流”學(xué)科建設(shè)，形成以張克非為核心的太空采礦科研團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)集成中國礦業(yè)大學(xué)采礦、測繪、地質(zhì)、化工等學(xué)科優(yōu)勢，強(qiáng)化學(xué)科交叉融合。同時(shí)，依托本碩博多條培養(yǎng)途徑，加強(qiáng)太空采礦通識(shí)教育，為太空采礦領(lǐng)域研究儲(chǔ)備專業(yè)人才。段亞博即是太空采礦國際研究中心培養(yǎng)出的首位博士研究生。

太空采礦國際研究中心成立以來，已開展兩個(gè)階段的研究工作。第一階段主要研究深空基準(zhǔn)構(gòu)建與導(dǎo)航定位、深空礦物智能感知與資源勘探、太空機(jī)器人采礦技術(shù)、失重狀態(tài)下礦物原位分選加工與利用以及太空采礦發(fā)展現(xiàn)狀、機(jī)遇和研究方向凝練等內(nèi)容；第二階段主要研究太空采礦機(jī)器人導(dǎo)航與定位、小行星資源普查與感知、太空采礦大數(shù)據(jù)決策及原位處理、太空采礦機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用、太空礦產(chǎn)資源智能分選及原位利用等內(nèi)容。

目前，太空采礦國際研究中心已完成第一階段內(nèi)容研究，正在進(jìn)行第二階段內(nèi)容研究，并申請國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目。

張克非表示，太空采礦涉及太空資源勘查、地外天體鉆孔、原位資源利用等關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)外在這些技術(shù)領(lǐng)域研究取得一定進(jìn)展，但太空采礦在空間基準(zhǔn)與導(dǎo)航定位、資源勘查與開采、資源分選與利用等方面缺乏系統(tǒng)深入研究，太空采礦的工業(yè)性試驗(yàn)還未有突破。

張克非建議，在太空資源探測方面，建立近地空間資源光譜數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建多源遙感協(xié)同定量反演模型。綜合考慮多種因素，利用地理信息系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析確定太空資源開采的行星，并編目分析其可行性；在太空采礦智能機(jī)器人平臺(tái)研發(fā)方面，開展太空環(huán)境微重力研究，確保機(jī)器人在微重力下能穩(wěn)定作業(yè)；在太空資源勘探與采選方面，針對太空微重力環(huán)境下資源勘探與采選的緊迫需求，開展一系列關(guān)鍵技術(shù)研究；在空間安全與資源原位利用方面，開展太空采礦的安全理論與技術(shù)、采礦的安全監(jiān)測與監(jiān)管技術(shù)等研究，為太空采礦提供資源保障。

近地小行星的類別

近地小行星，是指那些軌道與地球軌道相交，近日點(diǎn)距離小于1.3個(gè)天文單位的小行星。它們主要分布在火星與木星之間的主小行星帶以及海王星外部的柯伊伯帶。別看這些小行星個(gè)頭不大，它們可都是太陽系形成早期的行星殘骸，蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源，堪稱宇宙中的 “資源寶庫”。根據(jù)礦物組成的不同，近地小行星主要分為三類：C型（碳質(zhì)小行星）、S型（硅質(zhì)小行星）和M型（金屬小行星）。每一類小行星都有著獨(dú)特的礦物組成和巨大的資源開發(fā)潛力。

C型小行星：水與有機(jī)物的寶庫

C型小行星是數(shù)量最多的一類小行星，約占近地小行星總量的40%。它富含水、富氫化合物和碳化合物，對于了解太陽系早期演化、地球生命起源以及小行星資源開發(fā)利用都有著重要意義。日本 “隼鳥2號(hào)” 探測器探測的小行星 “龍宮” 就是C型小行星的典型代表?！褒垖m” 表面主要由磁鐵礦、鐵菱鎂礦、白云石和磁黃鐵礦等礦物組成，鑲嵌在蛇紋石和電化石的基質(zhì)中。其表面的水冰和水合礦物可以通過太陽能加熱轉(zhuǎn)化為水蒸氣，這對于航天器的推進(jìn)系統(tǒng)或生命維持系統(tǒng)來說，是極為寶貴的資源。此外，C型小行星的有機(jī)材料還能通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，可用于工業(yè)應(yīng)用和航天器推進(jìn)。

C型小行星上的潛在礦物及其礦物晶體結(jié)構(gòu)

S型小行星：硅與金屬的富礦

S型小行星約占已發(fā)現(xiàn)小行星總量的17%，是小行星中的第二大類。這類小行星表面反照率適中，主要礦物成分為橄欖石和輝石，與普通球粒隕石的組成成分十分相似。日本 “隼鳥1號(hào)” 探測器探測的小行星 “絲川”，其表面土壤顆粒主要由橄欖石和輝石組成，硅、鎂、鐵等元素的含量較高。S型小行星的硅質(zhì)礦物是生產(chǎn)硅的優(yōu)質(zhì)來源，而硅在太空太陽能光伏發(fā)電中有著不可或缺的作用。另外，S型小行星上的隕硫鐵（FeS）可以通過熱解和氧化工藝產(chǎn)出硫酸，用于溶解其他硅質(zhì)材料。

S型小行星上潛在的礦物成分

M型小行星：稀有金屬的 “金礦”

M型小行星因含有大量鐵、鎳等金屬而被稱為金屬小行星，在近地小行星中占比較少。M 型小行星的金屬含量特征與其成因密切相關(guān)：早期太陽系中行星間的劇烈碰撞，使得其內(nèi)部鐵鎳合金內(nèi)核外露，經(jīng)過長期宇宙風(fēng)化作用，最終形成了含有大量純金屬鐵鎳合金的M型小行星。以M型小行星 “神靈星” 為例，其表面的鉑族金屬含量預(yù)計(jì)在0.35%左右，是地球鉑族礦床開采品位的幾十倍。M型小行星上的稀貴金屬很可能是以單質(zhì)的形式嵌在鐵鎳合金中，這使得我們可以通過微波或太陽能加熱技術(shù)進(jìn)行高效提取。

M型小行星上潛在的金屬材料和金屬豐

新聞報(bào)道作者：本報(bào)記者王世雅 通訊員李懷展 版面編輯：王世雅

來源：中國煤炭報(bào)、現(xiàn)代快報(bào)、科技前哨

參考文章：《近地小行星礦物分離與資源提取的挑戰(zhàn)與展望》，刊發(fā)于《宇航學(xué)報(bào)》，作者中國礦業(yè)大學(xué)能源資源高效加工與潔凈化利用教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室

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