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太(tài)空(kōng)采矿(kuàng)，这(zhè)个(gè)以(yǐ)往(wǎng)在(zài)科(kē)幻(huàn)小(xiǎo)说(shuō)和(hé)电(diàn)影(yǐng)中(zhōng)出(chū)现(xiàn)的(de)场(chǎng)景(jǐng)，正(zhèng)在(zài)逐(zhú)步(bù)走(zǒu)向(xiàng)现(xiàn)实(shí)。近(jìn)日(rì)，我(wǒ)国(guó)首(shǒu)台(tái)太(tài)空(kōng)采矿(kuàng)机(jī)器(qì)人(rén)在(zài)中(zhōng)国(guó)矿业大学诞生。

01 国内首个“星际矿工”诞生

中国矿业大学刘新华教授团队研发的多功能太空采矿机器人，其基本形态为六足模式，有三个轮足和三个爪足。之所以这样设计，主要是为了适应太空中的微重力环境。

太空采矿机器人要在地外星体上完成地质勘探(tàn)和(hé)矿(kuàng)物(wù)采集任(rèn)务(wu)，钻(zuān)探(tàn)属(shǔ)于(yú)必(bì)备(bèi)技(jì)能(néng)。在(zài)地(de)球(qiú)重(zhòng)力(lì)环(huán)境(jìng)下(xià)，机(jī)器(qì)人(rén)本(běn)身(shēn)的(de)重(zhòng)量(liàng)就(jiù)足(zú)以(yǐ)支(zhī)撑(chēng)钻(zuān)头(tóu)钻(zuān)进(jìn)，而(ér)月(yuè)球(qiú)重(zhòng)力(lì)只(zhǐ)有(yǒu)地(de)球(qiú)的(de)六(liù)分(fēn)之(zhī)一(yī)，小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)上(shàng)大(dà)多是低微重力，如何让钻头顺利钻进星体表面就成了大问题。

为了解决失重带来的漂移，科研团队想到了模拟昆虫的爪刺结构，于是为太空采矿机器人设计了特殊的爪刺足。

刘新华教授介绍，这种结构属于阵列式的爪刺，微重力环境下，它的附着能力更强，抓地能力更强。在微重力环境下不仅能够让机器人固定住进行采样，还能根据地形进行移动。

不仅能适应太空的微重力环境，“采用仿生六足移动结构”的机器人足末端有车轮和(hé)锚(máo)固(gù)结(jié)构(gòu)两(liǎng)种(zhǒng)配(pèi)置(zhì)，让(ràng)它(tā)可(kě)以(yǐ)在(zài)小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)坑(kēng)洼(wā)不(bù)平(píng)的(de)地(de)面(miàn)上(shàng)行(xíng)走(zǒu)。目(mù)前(qián)，太(tài)空(kōng)采矿(kuàng)机(jī)器(qì)人(rén)原型机已经向有关部门申请专利，并且通过了初审。

刘新华教授表示，科研团队已经实现了太空微重力的等效实验，这个机器人在模拟月壤的环境下，实现了行走、锚固，甚至采样。

02 “星际矿工”的“十八般武艺” 如何练成

太空采矿机器人要在太空星体上完成探矿采矿工作，不仅要面对微重力的问题，还要面对极端温差、真空、太空辐射以及重量体积限制等一系列难题。如何让机器人练就“十八般武艺”？刘新华教授团队给太空采矿机器人搭建了一个特殊的“训练场”。

中国矿业大学机电工程学院副教授华德正介绍，搭建这个环境主要考虑两个方面，一个方面就是模拟近地小行星表面的风化程度，主要是以沙壤为主。另一块就是微重力环境，团队设计的这种悬吊机构，通过垂直的悬吊抵消它的重力，实现微重力的变化。

团队成员介绍，经过在沙盘上不断训练，目前，通过六足差动系统悬架、离合器等协同工作，太空采矿机器人已经可以根据工作环境调整自身结构形状，适应地外星体的复杂地表环境。

要掌握更多勘探的绝活，太空采矿机(jī)器(qì)人(rén)还(hái)需(xū)要(yào)到(dào)中(zhōng)国(guó)矿(kuàng)业(yè)大(dà)学(xué)深(shēn)地(de)工(gōng)程(chéng)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)与(yǔ)健(jiàn)康(kāng)运(yùn)维(wéi)全国(guó)重(zhòng)点(diǎn)实(shí)验(yàn)室(shì)进(jìn)行(xíng)“进阶训练”，这里可以精准模拟月球表面极端环境。

这个设备主要是将月球的原位环境模拟出来。六分之一G重力场，超高真空的环境。月球上白天可以达到130℃的高温，晚上可以达到-180℃，甚至在极区可以达到-250℃的低温。

不仅实现(xiàn)对(duì)月(yuè)球(qiú)小(xiǎo)重(zhòng)力(lì)场(chǎng)等(děng)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)的(de)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)、高(gāo)精(jīng)度(dù)模(mó)拟(nǐ)，这(zhè)一(yī)装(zhuāng)置(zhì)中(zhōng)正(zhèng)在(zài)开(kāi)展(zhǎn)的(de)两(liǎng)个(gè)研(yán)究(jiū)，“月(yuè)球(qiú)资(zī)源(yuán)特(tè)征(zhēng)与(yǔ)储(chǔ)层(céng)物(wù)性(xìng)原(yuán)位(wèi)探(tàn)测方法与装备”“月球极区水冰资源温控贯入开采与原位制氢方法与装备”，也都是太空采矿研究的重点科研项目。

将环境模拟出来以后，再采用和月壤性质相似的模拟月壤，将月球地层的特性高保真重现出来。实际上它就是跟月球上基本一致的状态。这时候再去做实验，实际上跟月球上的数据是接近的。

03 人类有望试验性开采 近地星体上的太空资源

开发太空资源不仅是科技竞争的制高点，更承载着未来人类文明可持续发展的希望。专家介绍，基于现有的空间科学技术、航空航天技术以及采矿技术等，人类有望在几十年内实现试验性开采近地星体上的太空资源。

专家介绍，在有限的地球资源最终将面临枯竭困境的威胁下，人类走向太空是必然选择。月球作为地球唯一的天然卫星，同时具有距地球相对较近的优势和丰富的资源，目前对月球资源的探索研究全球关注度最高，科研投入也最大。

04 月球上的资源很丰富吗？

月球上蕴含丰富的金属、非金属及气体资源。目前探测表明，月球资源可分为水冰型、气体型、钛铁矿型、斜长岩型和磷酸盐型5种。

水冰：月(yuè)球(qiú)水(shuǐ)冰(bīng)以(yǐ)结(jié)合(hé)水(shuǐ)和(hé)游(yóu)离(lí)水(shuǐ)两(liǎng)种(zhǒng)形态赋存。结合水通过化学键赋存于全月月壤/岩矿物组分中，其含量仅为120～180ppm，开采难度大、潜力低。游离水富集于两极永久阴影区月壤层，含量高达10%，是水冰资源开采主要对象。月球极区可开采水冰赋存面积可达1850平方千米、估算总储量约为3×109吨。开采水冰资源可有效解决科研站运行、航天员驻扎和生存用水需求，是月球科研站运行和长期驻人的前提条件。水冰通过电解等手段二次加工后还可制造氧气和氢气。月球上没有大气层，氧气是航天员月面驻扎和生存最基本条件之一。氢气液化后可作为优质火箭燃料，有效解决月面运输、地月往返及向火星等更远星球飞行的燃料需求。因此，中国国家航天局、美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局等均将水冰资源开采列为本轮探月优先任务。

月球水冰来源于岩浆洋演化、彗星等撞击带入和太阳风注入。就游离水冰而言，月表极端低温、超高真空环境导致其只能以冰和水汽两种相态赋存。地质演化过程中，不同来源的水冰通过冷阱捕获、温度梯度(dù)迁(qiān)移(yí)、月(yuè)壤(rǎng)层(céng)沉(chén)积(jī)、高(gāo)温(wēn)升(shēng)华(huá)、低(dī)温(wēn)凝(níng)华(huá)等(děng)复(fù)杂(zá)作(zuò)用(yòng)，最(zuì)后(hòu)在(zài)月(yuè)壤(rǎng)层(céng)特(tè)定(dìng)深(shēn)度(dù)富(fù)集形(xíng)成(chéng)水(shuǐ)冰(bīng)资(zī)源(yuán)层(céng)。开(kāi)采过(guò)程(chéng)中(zhōng)，储(chǔ)层(céng)中(zhōng)的(de)水(shuǐ)冰(bīng)受到温度扰动极易升华相变，进而改变局部区域的真空度；温度和真空度的变化亦会进一步影响水冰相态转化。同时，开采过程导致的月壤孔隙结构演化、局部温度和真空度变化导致的温压梯度，均会诱使升华后的水汽逃逸。当前世界各国均在积极研发月球水冰资源开采技术及装备。

氦-3：氦-3是月球气体型资源的典型代表，以吸附方式赋存于月壤颗粒中。作为氦的同位素，氦-3包含一个中子和两个质子，能够在核聚变反应中生成巨大能量但不产生中子辐射。相较于其他核聚变材料，氦-3具有清洁、高效、可控性强等优点，是未来可控核聚变的理想燃料。同时，由于特殊的超流性、稳定性、非辐射性等特征，氦-3还广泛用于核磁共振造影、超低温制冷、中子探测器制(zhì)造(zào)、核(hé)电(diàn)站安全检测、核爆及隐藏核材料探测等国防、航天航空、医疗和低温物理等领域。然而，地球上氦-3储量极为稀(xī)缺(quē)，仅(jǐn)有(yǒu)500千(qiān)克(kè)左(zuǒ)右(yòu)，这(zhè)导(dǎo)致(zhì)其(qí)价(jià)格(gé)高(gāo)达(dá)每(měi)千(qiān)克(kè)600万(wàn)美(měi)元(yuán)。

相(xiāng)较(jiào)于(yú)地(de)球(qiú)上(shàng)的(de)珍(zhēn)稀(xī)性(xìng)，月(yuè)球(qiú)上(shàng)氦(hài)-3储(chǔ)量(liàng)极(jí)为(wèi)丰(fēng)富(fù)。氦-3来源于太阳内部核聚变、并以高能粒子形式通过太阳风向宇宙扩散。月球没有大气层，其磁场不足地球的千分之一，使得太阳风能够直射月球表面并将氦-3注入月壤层。同时，月表温度在月夜最低可达-180℃，极地永久阴影区甚至可达-250℃。极低温环境有效促进了氦-3在月壤层中吸附，并阻止其脱附和向太空逃逸，进而使得其在月表富集。前期通过光谱仪等手段已经探明，月球上氦-3的品位约为30μg/g、全月氦-3换算储量高达110万吨，可作为清洁核原料供地球使用约1万年。嫦娥五号采样返回后，中国科学院在月壤颗粒非晶体玻璃质中首次发现了直径5～25纳米的氦气泡，并受此启发提出了氦-3开采的新思路。

钛铁矿：钛铁矿通过化学或物理手段提炼后可获得铁、钛金属和氧气，为月球科研站建设和航天员生存提供必需原料。同时，钛铁矿与氢气通过化学反应（氢还原法）还可以生成水，是除了水冰开采外，解决月球用水需求的最主要途径。月海玄武岩富含铁、钛等元素，探测表明其钛铁矿含量最高可达30%，初估质量约为1100万亿～2000万亿吨，是当前月球上开采需求和潜力最大的矿物之一。中国科学院地球化学研究所曾经做过估算，只需在月海区域40厘米深度范围内开采200立方米月(yuè)壤(rǎng)，即(jí)可(kě)提(tí)炼(liàn)10吨(dūn)钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)、生(shēng)成(chéng)1吨水。

此外，月球高地斜长岩中富集硅、铝、钙等元素，对应氧化物含量(liàng)分(fēn)别(bié)高(gāo)达(dá)45%、34%和(hé)20%；克(kè)里(lǐ)普(pǔ)岩(yán)中(zhōng)含(hán)有(yǒu)大(dà)量(liàng)钾(jiǎ)、磷(lín)、稀(xī)土(tǔ)和(hé)放(fàng)射(shè)性(xìng)元(yuán)素(sù)，初(chū)估(gū)稀(xī)土(tǔ)元(yuán)素(sù)储(chǔ)量(liàng)约(yuē)为(wèi)225亿(yì)～450亿(yì)吨(dūn)、铀(yóu)储(chǔ)量高达50亿吨，均远高于地球储量。开采这些矿产资源除了能够供给月球基地建设、日常运维和保障航天员生存外，还可以有效补足地球资源的短缺。

来源：综合央视新闻、光明日报等