科学首页 > 天文航天 > 新闻列表 > 正文

美发射飞船赴小行星取样 太空采矿进入实施阶段

http://www.kexue.com 2013-08-15 11:41:17 新浪科技  发表评论


美国宇航局的OSIRIS-Rex飞船正准备对小行星进行取样

这张照片上综合了三颗曾经被飞船近距离拍摄的小行星图像

  在过去的100年间,全球人口从15亿爆炸性地增长到了今天超过70亿,相应的,人类对资源的需求也出现了爆炸性的增长。为了满足这种增长的需求,除了要加强全社会的资源回收利用率之外,采矿业者们也必须前往一些前所未有的新疆域进行矿产资源的开发工作,比如开发深海大洋海底的矿产资源等等。

  而在未来,只要经济上和技术上的障碍被突破,小行星或许将会成为人类开发矿产资源的下一个目的地。小行星是金属,岩石和尘埃的聚集体,有时候还含有一些冰和有机质,它们是太阳系在45亿年前形成初期遗留下来的产物。太阳系中有数以十万计的小行星,大小迥异,从直径数米到数百公里。体型较小的小行星数量要远远多于大型的小行星,但即便是一颗非常小的,仅相当于一幢房子那么大的小行星也将价值数百万美元。

  不同种类的小行星

  小行星有不同的种类,根据它们的光谱型,一般可以划分为3个不同的群:其中表面较暗,富含碳质的C型小行星拥有较高含量的水分,其中还含有一些含水的粘土矿物。尽管这类小行星在目前看来具有的经济价值有限,因为毕竟地球上的水资源还是异常丰富的。但是当我们在未来决定向整个太阳系扩展人类的生存空间时,这些小行星就将显得尤其重要。

  美国亚利桑那大学图森分校科学家,美国宇航局计划中的小行星采样返回项目“OSIRIS-Rex”首席科学家丹特·罗莱塔(Dante Lauretta)表示:“在太空时代,水将成为维持生命的关键因素,而要想将大量的水体送入太空将耗资巨大。”他说:“在目前的技术水平下,要将大约1磅(约合0.9斤)重的载荷送入太空,将需要花费数千美元。因此我们希望能依赖原本就存在于太空中的水体来削减成本。水的另一项重要功能是它可以被分解为氢气和氧气,而这将可以被用作火箭燃料,从而进一步支持开展小行星的太空探索项目。最后,C型小行星的一大特点就是很多都含有很多有机质,包括很多有机碳,磷和其它可用作农业施肥的原料。”

  表面反照率稍微高一些,也因此稍稍显得明亮一些的一类小行星主要由岩石组成。这就是S型小行星,这类小行星的水含量相对低一些,但就目前的眼光来看它们的经济价值则更高,因为这类小行星的成分中往往含有很大比例的金属,主要是铁,镍和钴。

  不过,罗莱塔表示:“别忘了一些含量较低却不能被忽视的金属种类,这些金属尽管含量比较少,但是其经济价值不容小视,其中包括金,铂以及铑。”他说:“一颗小型的,直径约10米的典型S型小行星含有650吨金属,其中包括大约50公斤的稀有金属,如铂和金。”

  根据罗莱塔的介绍,还有一类光谱型为M型(即金属型)的小行星,其金属含量还要比一般的S型小行星高出10倍以上。

  OSIRIS-Rex探测器

  不过先别高兴的太早,因为就目前的技术水平而言,要想开展一次小行星开矿行动将会耗费数百万亿美元的巨额资金,是得不偿失的。因此要想大幅度的削减成本,真正将这种想法变为现实,人们还将需要进一步的技术和思维创新。

  另外一项横在面前的障碍则是我们对小行星所含矿产的勘探和分析的手段和经验的匮乏。所幸这样的经验正在逐渐累积的过程中——美国宇航局的“起源,光谱解译,资源勘探,安全以及风化层探测器”(OSIRIS-REx)探测器项目即将实施,该项目计划发射一艘飞船前往一颗小行星并采集其样品返回地面。

  OSIRIS-Rex飞船按计划将于2016年9月发射升空,将于2018年10月抵达小行星Bennu。在抵达目的地之后探测器将对这颗小行星开展详细考察,随后从其地表采集样品并带回地球。本次探测计划的主旨是科学性的——小行星被普遍认为是太阳系早期遗留的产物,记录着有关太阳系诞生和演化的重要信息,对其样品进行的分析将有望帮助加深我们对行星形成和生命起源等重要问题的认识。除此之外探测器也将仔细测量太阳光对小行星Bennu的轨道造成的变化,这将帮助天文学家更好的了解太阳光压对小行星轨道造成的影响,提升轨道预测精度,从而保护地球免遭小天体撞击的风险。

  不过尽管本次探测计划完全是出于科学目的,但罗莱塔认为,在项目实施期间取得的经验也将有助于未来小行星采矿计划的实施,不管到时候具体是由美国宇航局还是由私营航天公司执行这样的开发项目。

  在OSIRIS-Rex项目的取样阶段设计中,工程师们设置了三道保险——如果首次取样尝试失败,项目组还将有另外两次机会可以补救,至少可以采集60克的样品,最多则可以采集2公斤。

  先进的探测仪器

  为了顺利达成目标,这艘飞船上装备了可以从轨道上探测小行星地表成分的仪器,这样就可以让地面控制小组有可能在进行首次取样尝试之前仔细挑选最理想的取样地点。

  要想分析了解小行星地表某一区域成分的最好办法之一就是分析它反射的光。不同矿物成分会在光谱中显示不同的吸收,反射或辐射特征。使用专门的仪器设备,科学家们将有能力从光谱信号中识别不同的地表矿物成分。

  另外,物质对光波的吸收和辐射所涵盖的波段要远远超出我们肉眼能够觉察的范围,因此OSIRIS-Rex飞船上搭载了3台不同的光谱仪,波段完整涵盖了从X射线,可见光一直到红外线的范围。

  OSIRIS-Rex飞船的可见光和红外光光谱仪(OVIRS)顾名思义,工作波段位于可见光和近红外波段。人类肉眼无法看到红外线,但是我们可以以热的形式感觉到它。这台光谱仪将有能力探测到有机化合物成分,以及其它一部分矿物和化学成分。有机物中富含碳,科学家们对此特别敏感,因为这是组成生命所需的关键组成成分。科学组还打算让飞船在某个富含有机物的区域尝试进行取样,从而得以开展有关早期太阳系有机化学方面的研究,从而帮助揭开地球生命的起源之谜。罗莱塔表示:“OVIRS将帮助我们确认小行星表面有机化合物的分布状况,并据此引导取样选址。”

  而另一台仪器:OSIRIS-Rex 热辐射光谱仪(OTES)则更深地进入了红外光的领域,它将有能力探查小行星Bennu地表的矿物种类并测量小行星的温度分布。尤其是这台仪器有能力识别粘土矿物的信号,这样科学家们便可以据此绘制出小行星地表富水矿物的分布图。在地球上,海滩的沙子在阳光暴晒下很快就会升温,而当太阳落山后则迅速冷,而相比之下,人行道在早晨阳光下升温的速度就要慢得多,但是晚上太阳落山后冷却的速度也要慢得多。同样的,通过红外波段测量小行星地表不同区域在白天和夜晚的升温和降温速度快慢,我们将可以了解其地表物质组成的很多有用信息。

  另外一台携带的仪器是“风化层X射线成像光谱仪”,这台仪器将测量小行星的向阳面上在阳光照射下微弱的X射线闪光,用这种方法可以测量一些元素,如铁,硅,硫和镁等的丰度。

  OVIRS 和OTES 两台仪器将会协同工作,确定太阳光对小行星Bennu的轨道产生的影响。这种效应在天文上被称作“雅科夫斯基效应”,这是小行星的表面在吸收和辐射热量时对小行星本身产生的微弱推动力。这种力虽然极其微弱,但在漫长的时间尺度下仍将会对小天体的轨道产生影响。

  OVIRS设备将测量小行星Bennu地表的反照率。由于照射到小行星地表的阳光只有两种结果,要么被反射,要么就是被吸收。因此这样的测量数据将帮助科学家们计算有多少阳光被小行星表面吸收并用于随后的热辐射过程。与此同时,OTES设备则将测量小行星的全球温度分布图,查看哪个区域的热辐射量最大,这将给出雅可夫斯基效应对小行星本体产生推进力的方向。

  不过,通过这些光谱学方法探测到的小行星地表矿物化学成分分布有一个严重的局限性,那就是它无法了解更深层次上的物质组成,其探测的地表深度仅有大约1.5毫米左右。而小行星的物质组成很有可能存在垂直方向上的变化,因此飞船相应设计了能获取一定深度上样品的采样机制:向小行星地表喷射氮气扬起地表物质,迫使其进入飞船的样品采集舱。

  罗莱塔表示:“采用这种方法,我们将可以采集到地表之下5~6厘米深的物质样品。”尽管这一深度听上去仍然很浅,但这已经比光谱方法获得的数据在垂向深度上提升了大约200倍。

  罗莱塔说:“另外,尽管光谱学专家会告诉我们说他们知道那些成分是什么了,但是最后我们仍然需要去实际取样验证这些结果。我们将会将样品取回来送入实验室进行分析,然后看看光谱学家们得到的结果究竟有多靠谱。”

  探测器携带的其它设备也将帮助进一步修正通过光谱方法取得的矿物分布图。根据OVIRS数据制作的化学分布图上最小的分辨率大约将会是20米左右,而OTES矿物学数据的分辨率为40米左右。而探测器搭载的彩色相机则可以获得比这高得多的图像分辨率,精度优于1米,因此在矿物和化学分布图中不同区域的颜色不同极可能就表示这两处区域的成分之间存在差异。

  和雷达相似,激光高度计会发射激光束并接收其从目标地表反射回的信号,这样便可以建立起地表的高程图像。与此同时测量地表对激光的反射亮度也将帮助判断其地表组成的物质成分,比如特别明亮的地表就很有可能是金属含量较高的点。

  奠定基础

  尽管此次探测任务是一次纯粹的科学考察任务,但是其中所用到的设备和技术都将为未来实际开展小行星采矿项目奠定基础。

  罗莱塔表示:“本次任务将是一次技术验证,那就是——我们是否有能力将一艘飞船送往一颗小行星,在那里采集样品并送回地球?”他说:“接下来,人们就要考虑经济上的可行性。”

  他说:“未来你可能会希望增添到飞船设备库中的可能就是快速进行化学分析的设备,这样你便可以迅速判断某处的矿物含量。目前我们还没有办法承担将这种设备安装到飞船上的花费。那么除此之外,我们现在飞船上所搭载的便已经是任何一个想要策划一次小行星飞行任务的人所需要的全套设备了。”

  OSIRIS-Rex项目由美国亚利桑那大学领衔。美国宇航局戈达德空间飞行中心提供任务的整体管理,系统工程,安全以及保障工作。洛克希德·马丁公司空间系统分公司负责飞船本体的建造工作。OSIRIS-Rex是美国宇航局新地平线计划旗下第三个得到实施的项目。(晨风)

  相关阅读
  太空采矿并非狂想 现有航天器可带回数颗小行星
  月球富含多种矿物资源 有望成为地外采矿点(图)
  科学家称寻找小行星采矿迹象 更易发现外星人
  "太空采矿"进入探讨阶段 私人企业未来将成主角
  行星采矿需20万亿美元 星际飞行技术成烧钱大户

网友评论以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点 已有条评论