太空探索－指定教材

第九章 太空资源的科学与商业应用

9.1  概述

太空资源可分为两类： 一类是地球空间的特殊环境资源，包括相对于地表的高远位置资源、高真空与超洁净环境资源和航天器内部的微重力环境资源；另一类是来自地球以外的能量和物资资源，包括太阳能、月球资源、行星、小行星和彗星的矿物资源、行星大气资源等。

这些资源可用于科学研究、试验以及许多经济和技术领域，而且已经带来了商业和社会活动各主要方面的革命。至于太空的军事应用，将在第十章介绍。

9.1.1 轨道资源

第二章介绍的各种航天器轨道都是为满足确定的目的而设计的。广袤的太空确实为人类提供了丰富的航天器轨道资源。这里需要指出，尽管太空是无穷大的，但某些轨道资源也是有限的。例如，地球静止轨道只有地球赤道上空35 786 km处的一条，其长度约为264 928 km，换句话说，每1°地心角对应的弧长为736 km。这么长的轨道似乎可以容纳很多颗卫星，但实际上能够容纳使用相同频段的卫星却极为有限，这是因为这些卫星系统之间会互相干扰，加上地球人口分布极不均匀，适用的轨道位置就更少。非地球静止轨道虽然很多，使用这种轨道的卫星网络之间、它们与使用地球静止轨道的卫星网络之间也会相互干扰。因此，轨道位置是人类有限的资源。只有太空基础设施比较完备的国家，才能占有较多的轨道资源。

一个地球静止轨道卫星可以覆盖地球表面大约2/5的面积。3个在赤道上空均匀定位的地球静止轨道通信卫星可以实现全球(地球两极除外)范围的通信，如图9-1所示。只有运行在太空的航天器才能长期位于高远位置。这种高远位置资源可用于卫星通信、导航、定位和空间遥感。

9.1.2 太空育种

科学实验证明，空间辐射和微重力等综合环境因素对植物种子的生理和遗传性状具有强烈的影响作用，因而在过去的几十年里一直受到国内外研究者的广泛关注。中国已经进行了十多年的种子空间搭载试验，已经探索出旨在改良植物产量、品质和抗性等重要遗传性状的植物育种新方法，即空间技术育种，亦称太空育种或航天育种。所谓空间技术育种，就是指利用返回式卫星和高空气球等所能达到的空间环境，对植物(种子)的诱变作用产生有益变异，在地面选育新种子、新材料，培育新品种的植物育种新技术。

大量的实验研究表明，太空环境条件影响植物种子的萌发与生长。不同植物，或同一植物不同品种对太空飞行的敏感性存在差异。经过太空飞行的小麦、大麦、玉米、棉花、向日葵、大豆、黄瓜和番茄等种子，在地面发芽时，活力增加，发芽率明显提高；经太空飞行的水稻、谷子、豌豆、青椒、莴笋和烟草等植物种子，其发芽率与地面对照组无明显差异；而高粱、西瓜、茄子、萝卜和丝瓜等植物种子经空间飞行后，种子的萌发受到抑制，发芽率降低。

经过太空飞行的小麦、大麦和小黑麦等作物种子的萌发势、发芽指数、幼苗高度及幼苗活力指数等，均显著高于地面对照组及γ射线处理组，这种差异在过氧化物酶和酯酶与工酶酶谱及活性上也得到充分的证明。经太空飞行的高粱种子的萌发与幼苗生长则受到强烈抑制，同时出现生育期延迟现象。大豆种子经太空飞行后其生长习性及成熟期受到显著影响。植物种子经太空飞行后，其幼苗根尖细胞分裂会受到不同程度的抑制，有丝分裂指数明显降低，染色体畸变类型和畸变频率比地面对照组有较大幅度的增加，且这种诱变作用在许多植物上具有普遍性。

据不完全统计，自1987年以来，在航天高技术领域的支持下，遍及22个省、市、自治区的70多个单位，应用中国发射的8颗返回式卫星的剩余载荷及4次高空科学实验气球搭载了60多种植物、500多个品种的种子。已取得的成果为：

(1) 由回收种子种植出的当代或后代植株中，发现了不少新的变异类型，经多代选育，已育成具优良性状、有生产应用价值的新品种(品系)，其中数个已经作为所在省份省级品种审定委员会审定为推广的新品种。如黑龙江省园艺所的“龙椒二号”青椒种子，1987年经卫星搭载，取大椒型变异株，经多年细选，育成果大、质优、抗病性强的青椒新品系“卫星87-2”，平均果重较原种提高70%，最大单果重达400.75 g，已在国内各省推广试种2万余亩。

(2) 从参与空间飞行的种子后代中还发现一批特异的、自然状态下未能发现的新变异类型，这些变异株系在农业生产上有较佳的应用潜力，可作为新品种选育的亲本材料或直接利用，同时它们为自然资源日益贫乏的当今世界提供了新的种质资源，有利于生物多样性的拓展。

(3) 开展了空间诱变育种规律和性质的研究。在十多年的搭载、种植、选育中，有关科研人员总结了空间诱变与过去常规使用的辐射(X射线和γ射线)育种不同的特点，如经空间飞行种子回收种植的当代植株中，不少表型、性状有所变异，如生育期缩短、株高增高或降低等，且生理性损伤较低；而常用的辐射育种一般在当代植株中只能观察到生理性损伤，较少发现可遗传性变异。

太空环境诱发植物种子基因突变的机理目前并未完全弄清楚。空间辐射是原因之一。当植物种子被宇宙射线中的高能重粒子击中后，会出现更多的多重染色体畸变，植株异常发育率增加，而且高能重粒子击中的部位不同，畸变情况亦不同，其中根尖分生组织和胚轴细胞被击中时，畸变率最高。不过，许多实验结果表明，经空间飞行的种子即使没有被宇宙粒子击中，发芽后也能观察到染色体畸变现象，而且飞行时间愈长，畸变率愈高。这些都说明微重力对种子亦具有诱变作用。

应该说引起植物遗传性发生变异的主要因素在于空间辐射与微重力等的综合作用。亿万年以来，在恒定的重力场作用下生长于地球的植物(种子)，其形态、生理、行为和演化都一直受到1 g(重力加速度)重力的调节和影响，而且种族进化过程越长的植物受重力的影响就越大。一旦植物(种子)处于空间微重力环境，同时受到各种物理辐射因子的作用，其遗传性必然受到强烈影响，很有可能出现在以往地面诱变育种中较难得到的遗传变异。

当然，并非所有的种子上天一转，回到地面就会增产。卫星搭载过的种子只有百分之几可能发生变异。尽管这一突变率较之传统的理化诱变剂已相当突出，但仍有不少种子会发生负效应突变或未发生任何突变。因而，从众多的遨游过太空的种子中筛选鉴定出有希望的真正的“太空种子”，就成为一项艰苦复杂的工程。

9.1.3 太阳能资源

太阳辐射是对人类至关重要的一种能源。在日地平均距离处，单位垂直面积上的太阳辐射功率(即太阳常数)是1390 W/m2，由此可以算出太阳辐射总功率为3.82×1023 kW，地面接收到的太阳能为8.6×1013 kW，仅为太阳总辐射能的44亿分之一。但这个能量相当于20世纪80年代初期到90年代末期全世界能量消耗的4300～8600倍。这一方面说明太阳能能量巨大，另一方面也说明太阳能利用前景广阔。

在太空，太阳照射的时间比地球上长得多。在地球静止轨道上，一年中只有在春分和秋分前后各45 d里，每天出现一次阴影，时间最长不超过72 min，一年累计不超过4 d，也就是一年中有99%的时间是白天。在地面上，有一半的时间属于夜晚，白天除正午外太阳是斜射的。在太空，每天能接收到的太阳能密度约为32 kW·h/m2，在地球上平均每天只能接收到6～12 kW·h/m2。另外，太空是一个超洁净的环境，太阳电池的表面不会粘上任何尘土，无须维护。太空中，物体处于失重状态，尽管太阳能电池面积很大，但是受到的力却很小，因此卫星可以做得较小。早在1979年，美国NASA就提出了关于空间太阳电站的设想。后因技术、经济等方面的原因没有实施。在20世纪90年代中期，NASA组织专家开展了新一轮的研究论证，目前看好的方案有“太阳塔”和“太阳盘”两种。

在“太阳塔”方案中，太阳电池阵不再是铺设在一整块巨大的矩形平板上，而是由数十个到数百个圆盘形发电阵组成。每个发电阵的直径为50～100 m，输出功率为1000 kW。根据总发电量的要求配置发电阵的数目。发出的电流通过由超导材料制成的中央电缆传输到发射天线，天线直径约为260 m。这种方案的最大特点在于它的高度模块化，适于批量生产、便于组装，有利于未来电站规模的扩展。

“太阳盘”方案采用直径3～6 km的高效薄膜太阳电池阵发电，保持自旋稳定，并对太阳定向，产生的电流汇集到盘极，再传输到发射天线。发电功率为2～8 GW。用5.8 GHz的微波向地面传输。地面接收天线直径为5～6 km，不需要地面储能设备。

空间太阳电站的关键技术包括高转换效率的太阳电池、低成本的地面与轨道间的运输、高效微波发生器和微波能量的接收技术等。

9.1.4 太空旅游资源

遨游太空一直是人们的梦想，2001年5月，美国富翁蒂托的太空旅游为人类实现梦想打开了一个全新的领域。2002年5月5日，世界上第二位太空游客——南非的沙特尔沃思，在国际太空站进行了10 d的太空之旅后，乘俄罗斯的联盟TM-33飞船安全返回地面。继这两次成功的太空游之后，想圆太空旅游梦的人越来越多。众多的大明星、大富翁正在为成为第三名太空游客而努力。他们两人的太空旅费都是2000万美元。在众多角逐者中，曾执导过《泰坦尼克号》、《真实的谎言》等多部著名影片的美国著名导演詹姆斯·卡梅隆从2001年开始就酝酿进入太空，还希望能到国际空间站拍一部反映太空生活的资料片。为了能去太空一游，他已于2001年开始投入太空训练。

另一位候选人也是演艺圈的大腕，那是美国摇滚巨星兰斯·巴思，他也表示，准备成为游太空的第一艺人，一个公司宣布将出资赞助兰斯·巴思前往国际空间站进行太空之旅，目前兰斯·巴思已经完成第一轮太空训练，现正与俄航空航天局进行飞行谈判。

还有演艺圈的马克·伯内特，他本人曾是一名英国伞兵，并制作了热门电视连续剧《生存者》。他说他不仅想上太空，还要在太空上演《生存者》的片断。

与此同时，有可能成为第三位太空游客的还有美国航宇局前官员加弗、拥有博士学位的波兰富豪菲莱谢克·查尔奈茨基等。有关方面分析，决定谁将成行的关键因素将不再是金钱，而是身体素质和训练成绩。

继这些名人之后，太空旅游实际上已呈热门之势。近年来，富裕阶层的人们乐意花费大笔的金钱进行狩猎旅行，可以说，没有哪一项探险活动能在刺激程度或花费方面比得上一次太空之旅。有关方面预计，随着第二位自费旅游者成功的太空之行，太空旅游有可能成为21世纪最时尚的旅游项目。促成蒂托登上国际空间站的美国太空探险公司，2001年6月正式推出“亚轨道宇宙飞行”旅游项目。该公司计划在2005年送出第一批游客，每人的费用大约为9.8万美元。目前，已经有上百人提出了申请，并缴纳了2万美元订金。2001年 10月，日本近畿旅行社设立的首家“太空旅游俱乐部”正式开展各种活动，该俱乐部刚一正式募集会员，就有50多人报名参加。

在这种形势下，有人甚至预言太空旅游业将成为继信息产业后的又一个利润丰厚的新兴产业，而且世界各航天大国和有实力的私人集团已经开始为这一新兴产业紧锣密鼓地准备着。

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