《蒼穹浩瀚》背後，萬億太空採礦市場凸顯「廉價航天」的迫切需求

07-13

來自專欄 DeepTech深科技67 人贊了文章

上個月，美國有線電視台 Syfy 宣布取消旗下科幻美劇《蒼穹浩瀚》（The Expanse）第四季續訂的消息一經發出，就引起了追劇粉絲的熱烈討論。不過，緊接著，亞馬遜和藍色起源創始人、億萬富翁傑夫·貝索斯就在國際太空發展大會（International Space Development Conference）上親自宣布接盤該劇。

圖丨《無垠的太空》劇照

《蒼穹浩瀚》中的場景設定在 200 年後的未來：人類在月球和火星上建立了定居點，並開始在位於火星和木星之間的小行星帶（Asteroid Belt）建立殖民地。人類對太空探索的渴望由來已久，而殖民小行星帶則是近年來的一個新的關注點，最主要的原因是盯上了其上面埋藏的豐富礦藏。

目前，Deep Space Industries 公司準備向目標開採行星發射載人開採器，英國的 Asteroids Mining 公司則準備向富含白金礦藏的行星發射小型太空開採器。導演詹姆斯·卡梅隆擔任顧問的 Planetary Resources 公司則準備向行星發射機器人探測器來探明稀有金屬儲量。而 NASA 則最為積極，預計最早將於 2022 年對一顆富含金屬礦藏的小行星進行開採工作。

太空——最終選擇

對於人類來講，工業革命就像是一場巧合，它發生的時間並不長，卻裹挾著科技的巨大力量以前所未有的方式改變了我們的生產生活方式。但隨之而來的，不僅僅有環境的污染、生態的退化，更重要的是，我們發現自己正在以指數的速度消耗著地球上的珍貴資源，以美國為例，估計其在 2050 年的資源消耗量將比 2010 年多 3 倍。而一旦技術進步所依賴自然資源消耗殆盡，那一切的社會形態和文明都將難以為繼，末日自會降臨。

圖丨倫敦奧運會開幕式上的工業革命場景再現

其實，當時間行進到 2018 年，我們已經不難發現，國際社會中的各個國家和企業對於資源和高新技術的爭奪已經愈發白熱化，不論是中美之間持續至今的半導體攻守戰、蘋果公司全球買鈷亦或 Facebook 的泄密門所引發的全球民眾對於個人數據資源的無比重視，每一個理性主體都逐漸深知這才是維持其競爭力的核心所在。

但是否這就意味著科技進步的瓶頸已至？其實不然，在循環利用和可持續發展等概念逐漸深入人心的當下，我們對於資源的利用也有了新的理解。可「節源」固然重要，但「開源」更值得重視。如果人類希望文明之火種不會熄滅，那麼探索新的疆界、發現和開採新的資源就將成為問題的解決之道。

而隨著地球資源的日益耗竭，人類繼續尋求資源的唯一選擇就是太空。

可我們發現，人類早在 1957 年就將第一顆人造地球衛星送上了太空，加加林也在 1961 年 4 月 12 日成為第一個「太空人」。但一個甲子過去了，我們依舊沒能獲取很方便的進入太空的能力，按照馬斯克的話來說，就是進入太空的價格「太貴了」！

或許正是為了解決這一棘手的難題，同時實現自己幼時的夢想，他在 2002 年成立了 SpaceX，旨在降低人類進入太空的成本，加速太空商業化的到來。與他幾乎同時起步的還有亞馬遜的創始人——傑夫·貝索斯，他創辦了自己的火箭公司藍色起源（Blue Origin），目標瞄準太空旅遊和太空移民。

十幾年過去了，兩家公司都還交出了不錯的成績單。SpaceX 經歷了數輪融資，已經成長為估值超過 280 億美元的超級獨角獸，獵鷹火箭家族已經進化到了 block 5，重型獵鷹也已經首飛成功，無論是梅林（Merlin）還是猛禽 (Raptor) 都為世界火箭發動機篇章寫上了濃墨重彩的一筆。恐怕接下來值得期待就是載人龍飛船遨遊天際、Starlink 全球布網以及 BFR 搭載冒險者們直奔火星了。

圖丨重型獵鷹升空

再看信仰「慢即是穩、穩即時快」和烏龜圖騰的藍色起源，雖然他們貌似沒有做出「驚天動地」的事，卻是以日拱一卒的穩紮穩打為一鳴驚人做足了準備。推力高達 250 噸級的 BE-4 甲烷發動機不僅 7 台並聯就可以將 New Glenn 超級火箭送上太空，它的出現更是一解聯合發射聯盟（ULA）長期依靠俄羅斯 RD-180 過活的尷尬窘境。但相較之下更令人期待的則是明年就將開始運營的太空旅行，似乎星際已經觸手可及。

可以說，這兩家公司是全美國 1000 余家私營太空公司中最值得提及的代表，除此之外，像由行業領袖 Greg Wyler 領導的衛星互聯網公司 OneWeb、試圖再造太空梭的內華達山脈、將旅館開到太空的畢格羅宇航、3D 列印最便宜火箭的 Relativity Space 以及小火箭公司的代言人 Rocket Lab 等等，共同構成了美國壯麗的航天圖景。

降價！降價才有想像力

人類進入太空究竟要有多貴？考慮到火箭發射是一個龐大的系統性工程，涉及到研發、生產、測試、發射等等諸多環節，而盈利基本都要仰賴發射服務所收取的費用，這就意味著我們所看到的報價並非僅僅是一個火箭箭體以及燃料的費用。

即便 SpaceX 的出現拉低了國際市場上的發射報價，但動輒千萬甚至上億美元的價格還是讓人望而卻步。以貨物運輸為例，也就只有 SpaceX 的發射價格降到了每公斤 1 萬美元一下，一向以價格優勢著稱的中國航天也難以與馬斯克展開競爭，像 ULA 這樣的傳統大戶更是鮮見 1 億美元以下的報價。就連人們常常會認為具有價格優勢的 Rocket Lab 等小火箭廠商也是價格高企，甚至超過傳統的中大型火箭發射。

雖然例如國內的商業航天公司如零壹空間喊出了「發射成本控制在每公斤 1 萬美元左右」的口號；利用 3D 列印的發動機，Relativity Space 可以將發射成本降到每公斤 8000 美元；中國航天科技集團公司副總經理楊保華在第二屆中國航天高峰論壇上也稱，只要可重複使用火箭技術成熟，那麼每公斤成本 1 萬美元的發射費用完全可以降至 5000 美元左右。但不可否認的是，這一數字仍然距離人們心目中的可接受價格相距甚遠，也就談不上在此基礎上開展大規模的太空開發活動了。

對此，創想天使基金創始合伙人、未來宇航研究院創始人牛旼有一個形象的比喻，「拿去月球來說，如果登月的成本高達上百億美元，那麼這個故事肯定就沒有後文了，也就不會有人去做這件事。但如果這個成本可以降到 1 至 2 億美元，那麼就有了很多可以想像的空間。」

圖丨創想天使基金創始合伙人、未來宇航研究院創始人牛旼

這裡提到的「可以想像的空間」是什麼？或許可以理解為在空間基礎設施的基礎上所衍生出來的一系列應用。正如 20 多年前西門子、愛立信等巨頭是不會想像到若干年後互聯網會以風捲殘雲之勢終結了他們的霸主地位、iPhone 的橫空出世將諾基亞拉下神壇一樣，我們現在的人也很難想像一旦空間中以衛星為底層的基礎設施得以建立，將會派生出多麼豐富的應用及服務。

牛旼談到，「商業航天發展其實跟互聯網發展的邏輯、路徑有高度相似性，完全是供給創造需求。其目前所處的發展階段就像 20 年前的互聯網產業處於發展初期，亟待產業上游的成本降低。」

以衛星產業為例，正是上游的衛星製造等成本難以降低，導致空間基礎設施建設遲滯，制約了下游的衛星應用產業鏈的發展，類比到互聯網行業，就像是沒有智能手機的普及就不會有千萬種應用程序的上線是一樣的。

而這還僅僅是指衛星這一個產業，如果擴展到人類進入太空、經營太空等任務，我們就必須要求如火箭、空天飛機等載具的費用足夠的低、運量足夠的大、操作足夠的簡單。總之，就是要整個太空產業中的製造的成本要夠低，而這個目標一旦達成，人類完全可以將地球上的一切生產生活活動複製到太空或者其他星球上，甚至我們還能創造出更多種形式的活動。

能源+資源，太空應有盡有

貝索斯曾說過，他想要將所有的工業都搬到太空中去。此話並非妄言，實際上太空環境有著許多地球上無法比擬的優勢：

首先就是能源，在沒有大氣層太空中，太陽能要比地球表面充沛得多；
其次由於太空的微重力環境，在工業生產時可以節省下克服重力而消耗的能量；
小行星等天體上具有某些地球上稀缺的礦物資源以及大量的常規資源，行星開採將會是個極具潛力的新行業。

2015 年 11 月，美國總統奧巴馬簽署了《美國商業太空發射競爭法案》（The U.S. Commercial Space Launch Competitiveness Act），明確表述了允許企業及個人在太空開採資源或礦產，為美國私人企業進一步發展太空工業掃清了法律障礙。

例如 Planetary Resources 公司和 Deep Space Industries 公司都已經成立多年，員工大多來自 NASA、MIT、波音、英特爾、JPL 等機構，並獲得了谷歌和盧森堡政府的投資，就計劃通過小型衛星實現小行星採礦。

小行星是圍繞太陽運行的小天體，它們是太陽系行星形成時的孑遺，直徑從幾米到幾百千米不等。大多數小行星位於火星和木星之間的小行星帶上。這裡有上百萬顆小行星，其中直徑大於 1 千米的有 75 萬顆，直徑大於 100 千米的有 200 多顆。小行星之間的距離從數百到數千公里不等。

除了小行星帶之外，還有 Atens、Amors 和 Apollos 這三個近地小行星聚集的區域。這些區域包括 9000 顆左右的小行星，其中 1000 顆直徑超過 1 千米。其中，有 1500 顆近地小行星被列為採礦作業的首選目標。

按照構成，小行星可以分為 C 型、S 型和 M 型。C 型碳質小行星最為常見，為灰色，由碳化合物、岩石、20% 的水和一些金屬組成。S 型硅質小行星為綠色或紅色，主要由鐵和硅酸鎂組成，有少量純鎳和純鐵，以及一些鉑族元素。M 型金屬小行星外表為紅色，主要由純鎳和純鐵構成，有少量鉑族元素。一顆直徑 500 米的富鉑小行星，稀有金屬的含量相當於今天世界年稀有金屬產出的 174 倍，地球鉑族金屬已知儲量的 1.5 倍。

此外，C 型小行星中的水在太空中也非常重要，可以滿足人類生存和生產火箭氧化劑的需求。即便是小行星上的石頭，也是有價值的建築材料，可以用來構建掩體，防止致命的宇宙輻射。據對一些隕石的估計，其包含的原材料價值上千億美元。

開發小行星有多種方式。例如可以在大型小行星上建立防宇宙輻射的地下基地，而在小行星表面建立礦石處理和儲存設施。

另一種建立長期基地的設想是：將無人飛船固定於小行星上採礦，這種方法被認為更適合體積不大的小行星。此外，無人飛船還可以用來在以岩石為主的小行星上定點精確開採高價值礦物。

還有一種設想是在大型小行星附近建立中轉站。採到的粗礦石被送至中轉站，精鍊之後，送回地球。或者也可以直接用火箭把微型小行星推送到中轉站附近。

無論採取以上哪種方式，都必須要解決以下幾個問題：

降低成本：現有公司的解決之道是採用全新的層次化和模塊化設計，即硬體上採用廉價的民用級產品、軟體商快速迭代且系統相互獨立；
遠距離空間通信：針對這一難點，Planetary Resources 找到的解決方案就是使用激光通信；
動力裝置和推進系統：Planetary Resources 的 Arkyd 探測器的推進系統直接與探測器一級結構集成在一起，方便了推進劑的存儲與管控。而 Deep Space Industries 的 Comet-1?電熱推力器使用太陽系中最豐富的資源——水作為推進劑，具有低功率、小型、大推力的優點。

雖然現在看起來小行星採礦依舊就像是天方夜譚，且目前並沒有找到一個經濟性的解決方案。但是考慮到未來對資源的迫切需求，小行星採礦恐將勢在必行。

而除了礦產資源之外，太空中充沛的太陽能也為這一切活動的開展鋪平了道路，人類可以利用建造空間太陽能電站的方式來對無盡的能源加以利用。

空間太陽能電站是利用在軌運行的衛星來吸收太陽能，並以無線傳輸的方式將能量傳回地面。在此過程中，需要小心選擇頻率，以避免對地面動植物和設施的危害。

空間太陽能電站的發電功率不會受到雲層、季節變換和大氣透明度的影響。位於距地面 3 萬 6 千公里的地球靜止軌道，又可以讓其在很大程度上避免夜晚的影響。因此，空間太陽能電站的發電潛力有望達到地面太陽能電站的 10 倍以上。

美國工程師 Peter Glaser 在 1973 年申請了「將太陽輻射轉化為電能的方法和設備」（method and apparatus for converting solar radiation to electrical power）的專利。該專利設想了太陽能收集衛星以微波方式將能量傳回地球，由地面站天線接收。

圖丨Peter Glaser

美國、加拿大、歐盟、日本、中國和印度都在該領域開展了許多工作。1970 年，NASA 和美國能源部撥款 2 千萬美元開展研究。1995-1997 年，NASA 再度開展名為「Fresh Looks」的研究計劃。2007 年，美國國家空間安全辦公室發布了相關報告。2009 年，太平洋電氣（Pacific Gas and Electric）和日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）聯合開展前瞻性計劃。2010 年，歐洲宇航防務集團下屬的 Astrium 子公司開始尋求示範性空間任務的合作夥伴。2011 年，國際宇航科學院（IAA）發布關於空間太陽能的詳細評估報告。2014 年 4 月，JAXA 發布通過空間太陽能電站為東京供能的 2030 遠景計劃。

根據 2011 年國際宇航科學院報告，在未來幾十年內完成大規模空間電站的建設「不存在基礎技術的障礙」，在多個備選方案中，該報告認為以下 3 種方案最有潛力：

第 1 種方案：1979 年美國 NASA 和能源部提出。1 個或以上的巨大光伏陣列鏈接於 1 個微波發射系統上。該結構需要大型 3 軸穩定平台，保持其光伏面板指向太陽，下行微波波束指向地面接收站。

第 2 種方案：與方案 1 的區別主要在於，能量通過激光而不是微波發送回地球。該方案的優點在於，可以採用多個激光發射器實現能量下傳，而方案 1 必須依賴單個微波發射系統。

第 3 種方案：該方案基於對稱光學原理設計的反射鏡，而非大面積光伏面板。大量小鏡面組成的大型反射鏡將陽光聚焦到有限面積的光伏面板上，而下行能量依然通過單一微波鏈路傳輸。該方案的能量管理較方案 1 和 2 更為簡單，因為光伏面板的面積較小。此外，該系統的建造難度也是最低的。

雖然很多雄心勃勃的方案都進展緩慢，但一些小企業，如 SpaceEnergy 和 Powersat 仍在充當開拓者的角色。此外，JAXA 也還保持著較高的熱情。太陽能電站所需的光伏面板技術和微波-激光能量傳輸技術都是經過驗證的成熟技術。因此，幾十年內，空間太陽能電站的願景有望成為現實。

NO MARS，我們先來聊聊月球

去年 12 月 11 日，美國總統特朗普在正式簽署了「第 1 號航天政策指令」（SPD-1），其目的就是要帶領美國重返月球。今年 5 月 24 日，特朗普又簽發了「第 2 號航天政策指令」（SPD-2），進一步落實國家太空委員會今年早些時候提出的支持商業航天發展的一系列監管改革措施。

圖丨特朗普簽署「第 1 號航天政策指令」（SPD-1）

其實，自從 1972 年阿波羅計劃停止後，人類很長一段時間都沒有過問過這個離我們最近的星球。直到最近幾年，俄羅斯、中國和美國都提出了建立月球基地的計劃。2013 年 12 月，嫦娥 3 號成功著陸月球。2014 年 4 月，俄羅斯重申「定居月球是不可動搖的目標」。2014 年 1 月，NASA 發布「月球貨運和軟著陸」項目，幫助私營企業發展地月交通系統。去年，美國更是重新建立了國家太空委員會，同時美國副總統邁克·彭斯還在 10 月 6 日宣布了美國重啟登月計劃。

NASA 還準備俄羅斯取得合作，2024 年前後在月球軌道上建成「深空之門」（Deep Space Gateway）基地，作為通往月球表面和深空目的地的門戶。宇航員可以依託「深空之門」對月球進行為期 20 天至 46 天的考察，「深空之門」還可以升降到不同月球軌道上運行。

圖丨Deep Space Gateway

不僅如此，包括 Moon Express 和 SpaceIL 在內的私營公司也對月球興趣濃厚，畢格羅宇航公司的充氣式空間站就已經出現了月球基地版本。谷歌於 2007 年 9 月設立 Lunar X Prize，將對第一個在 2015 年 12 月 31 日之前把無人月球車送上月球，行使 500 米，並將 2 個返回載荷送回地球的私營企業，獎勵 3 千萬美元，33 個團隊報名參與該獎項的角逐。雖然最後無人達成目標，但可見大家對此的熱情。

為什麼月球近來會如此大受追捧？除了其可以擔當人類奔火的中轉站之外，其上所蘊含的豐富的資源也成了各國對這顆距離人類最近的星球爭奪的理由。

月球被認為有豐富的鈷、鐵、金、鈀、鉑、鈦、鎢和鈾礦藏。2009 年，NASA 發現月球上有豐富的水，可以支持人類長期居住。當然，還有人類未來的核聚變理想燃料：氦 3。

目前，人類利用原子能發電的唯一手段是裂變核電，這會產生大量放射性廢物。未來的聚變核電不會產生任何放射性廢物——聚變堆利用氦 3 和氘進行聚變反應的產物只有氦和中子。

氦 3 在地球上幾乎沒有。然而，幾十億年來，月球的土壤不斷接受來自太陽的氦 3，並將其保存下來。據估計，厚度為 1 米的月面表層土壤，包含的氦 3 超過 110 萬噸，而 100 噸氦 3 就可以滿足整個地球 1 年的能量需求。因此，氦 3 的價值達到每噸數十億美元，即使以今天的航天技術，開採氦 3 也是經濟上有利可圖的買賣。甚至未來人類直接在月球建造聚變電站或者太陽能電站，然後用微波或激光將能量直接送回地球。

月球表面採集氦 3 和其他礦物需要有必要的基礎設施，這些設施可以由月球材料建造，並由太陽能提供能源。歐空局資助的一項實驗旨在通過 3D 列印，用月球材料建造房屋，以屏蔽致命的宇宙射線。估計下一個十年，人類對月球的開發將進入到一個高潮。

我們該在太空中留下怎樣的足跡？

無可否認，進軍太空是一項複雜、昂貴和高風險的事業。然而，如果不去努力實現這個目標，那麼由於資源缺乏導致的人類社會崩潰就是不可避免的。

空間太陽能電站、小行星採礦和月球基地的建立，有望為人類的太空旅遊業和火星定居奠定基礎。人類進入太空是不可避免的宿命，而邁出第一步就顯得尤為重要。

雖然在當前空間開發的過程中，美國又毫無疑問地走在了前列，無論是在人才、技術、資金等各個方面，我們都依舊有數十年的差距需要追趕。

但就像我們每每談到的中國的科技產業就會聯想到「彎道超車」這四個字一樣，對於新世界的探索，我們也需要走出一條屬於自己的道路。以中國在過去幾十年工業化過程中所取得的成就來看，雄厚的且體量巨大的工業基礎與太空商業化的碰撞毫無疑問將會迸發出改變世界的革命火花。