太空探索－指定教材

第九章 太空资源的科学与商业应用

9.5  地球外资源及其开发利用

9.5.1 月球资源及其开发利用

1. 月球的能源

月球上含有丰富的核聚变原料3He，因此，有些科学家预言，月球是21世纪的波斯湾。太阳系内蕴藏 3He 的情况示于表9-4。

正因为如此，重氢-氦3(D-3He)的反应受到了科技界的特殊重视，与重氢-超重氢(D-T)反应相比，它产生的放射能要小得多。D-3He反应的生成物大部分是带电粒子，可在开放型核聚变闭合装置中燃烧，直接发电。由于这种发电方式可大大提高效率，所以前景诱人。

月球表面的3He是太阳风从太阳带来的。太阳风等离子体的主要成分是氢，其中含有几十万分之一的3He。这些3He数十亿年来在月壤中越积越多。与此相比，地球由于大气层和地磁场的阻隔，来自太阳的3He微乎其微。

每处理10万吨月壤可得到1 kg的3He，1 kg的3He在核聚变反应堆中燃烧，能够以每天1×104 kW的功率发电一年。如果每年可利用的3He达数十吨，就能满足21世纪全球居民对电能的需求，而数十吨与月面拥有的100万吨相比还是极小的一部分。开采3He只需加温至1000 ℃，技术并不复杂。

目前，以托卡马克装置为代表的核聚变技术已有了长足进步，也许距主动点火条件只有一步之遥。但是，即使主动点火实现，还由于反应堆材料和放射能问题的存在，使核聚变技术的发展前途并不平坦。尤其因放射能的存在，使号称“洁净能源”的核聚变研究处于严峻的局面。

2. 矿物资源

月岩中含有地球表面的全部元素和大约60多种矿物，其中6种矿物是地球上没有的。月球岩石像地球上的火山岩石一样，含有大量的辉石、斜长石(这两种矿石的主要成分是钙、锰、铁、铝和硅)、钛铁矿和橄榄石(其主要成分是铁磁硅酸盐)，另外还发现成分与地球上矿物接近的由钛、锰、铁、铝和其他元素的化合物组成的称为铁假板钛矿、铬钛尖晶矿、锰辉石。

月壤主要由不同形状的粒径为0.08～0.1 mm的微小颗粒组成。在月壤中，氧占40%，利用月球上的氧可使航天器推进剂的供应就地解决6/7。月球中的钛铁矿是很丰富的，用钛铁矿可制取氧。

上述反应要求电解熔化的钛铁矿，利用氢作为媒介物，也可以使用氟。月壤中的含硅量为20%。硅是制作太阳能电池阵的原材料。

3. 月球是发展空间天文学的理想场所

月球上建设大型天文观测站不受航天器大小的限制。月球背面不受地球无线电干扰，是进行空间天文观测的理想场所。此外，科学家登上月球，可长期研究月球。

4. 月球可能成为行星际航行的基地

月球引力只有地球引力的1/6，而且月面处于高真空状态，因此从月球发射航天器到其他行星，所需能量比从地球发射小很多，可促进行星际航行的发展。

9.5.2 火星大气资源及其利用

火星大气中95%是CO2，如果利用从地球上带去的少量的液氢，与火星大气中进行如下的反应，就可以提取作为取样返回飞船推进剂的O2。提取氧的方法有两种。第一种是利用二氧化锆膜片。在膜片上加适当的电压，在高温时，膜片具有转换氧离子的特性。副产品CO与氢一起可以作为火箭燃料。第二种方法是与氢作用产生甲烷和水，然后电解水产生O2。甲烷和氧是推进剂，供返航飞船使用；氢可循环参与上述反应，不断生产甲烷、水和氢。生产推进剂所需电能由从地球运去的核电站产生。

另外，利用火星大气的阻力制动作用，可大大减少探测火星飞船做轨道机动所需要的燃料。

9.5.3 近地小行星资源及其开发利用

根据对流星体的化学分析和对小行星的光谱观测判断，某些近地小行星含有丰富的贵金属。

如美国发现并命名的1986DA小行星，其直径约为2 km，对雷达波的反射率高达0.58。据此分析，在这颗小行星中含有10万吨铂、十几万吨金和10亿吨镍。这些贵金属的总价值约为1.5万亿美元。

目前对近地天体资源的开发利用问题还没有提到议事日程上来。但从人类探索太空的长远利益考虑，这个问题是非常重要的。探索外行星，或者在火星上建立永久的观测站，遇到的最大问题是火箭推进剂和水。如果能就地提取这些物质，就可以大大加速人类探索太阳系的进程。根据目前的观测，许多近地小行星和彗星上含有水。大约有100个近地小行星，人类从地球到达这些小行星比在月球上软着陆还要容易。因此，在人类进一步证实这些小行星的资源后，到达这些小行星，并从那里提取对人类有用的资源是完全可行的。

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