一路取水去火星——NASA开发小行星水资源的设想

文/ 展鹏飞

▲ 正在捕获小行星的“蜜蜂”

2017年10月15日，美国宇航局（以下简称NASA）的创新概念研究所（NIAC）发布了题为《阶石：近地小行星资源支持的空间运输的经济分析》的最终版报告。报告中讨论了如何研发新概念航天器来开发近地小行星上的水资源，为日常航天活动、月球、小行星和火星探索服务的可能性。除了论证技术可行性，还讨论了经济上的合理性。

自从阿波罗计划结束以来，NASA就没能发起一个像样的大型载人空间探索计划。国际空间站也只是在低轨道徘徊。载人探索计划上面临诸多挑战，包括技术性的和程序性的。空间商业化和太空殖民也面临着类似挑战。在这些挑战中，任务的费用是其中严峻的一个挑战。目前的任务费用主要取决于发射和空间运输。能量巨大的任务需要更大的运载工具，也需要发射更多次数，还需要大量的推进剂来完成任务。这导致上述任务极为昂贵，因此这些任务都必须进行过度设计来保证成功，这又推高了开发成本，降低了任务频率，导致了任务不可能具有任何经济规模。

除非找到一种方式来打破这种成本上涨的循环，否则载人探索、空间商业化和太空殖民都将一直是无法负担的。为此，这份报告详细阐述了一种基于小行星资源利用的方法，采用新技术来开采和利用这些资源。报告中设计了飞行器和任务架构，设法找到一种可行的方式，打破费用上涨的螺旋，不但能提供一种可负担的载人探索途径，也有可能创建一种可以自我持续的空间资源利用业务。

抵达近地小行星（NEO）所需要的能量比抵达月球表面更少，因此它们可以作为潜在的“阶石”来提供推进剂和任务需要的其他耗材。报告中设计了一些脑洞大开的飞行器，核心是所谓的“由小行星本地资源提供补给”（APIS）的空间飞行器架构，无论是飞行器外观还是工作原理，都和此前人们讨论乃至幻想过的方法大相径庭。

▲“蜜蜂”任务采水原理示意图

APIS的核心，是从小行星上找到水和氧气、甲烷、二氧化碳之类的资源。有了这些，星际飞行——特别是在不久的将来，人类飞往火星，就可以利用宇宙中业已存在的资源来实施，不需要每一滴水、每一口氧气都从地球发射。它所能够带来的优势，是显而易见的。

从野营取水得到的灵感

至于开采水，实际上是在讨论如何开采冰。在宇宙环境里，小行星上的水肯定不会保持液态。《无垠的太空》中为我们设想了一种场景：大块的冰镶嵌在岩石中，只要凿开旁边的岩石，就可以用机械手把冰块抓出来。然而在实际的小行星上，我们可能找不到这么容易开采的冰块。细碎的冰晶往往渗透在岩石的缝隙和孔洞里，用通常的开采方式是收集不到的。

喜欢野营的人们都知道一种户外紧急取水方式：在地上挖一个坑，在其中放进湿土或者新鲜枝叶，正中间放一只杯子。然后在上面放一块透明塑料布，四周用土封死，在塑料布正中压上一块石头，让塑料布最低点对准杯口。这样，阳光透过塑料布照进坑里，加热湿土和枝叶，会把里面的水分蒸发出来，然后凝结在塑料布上，滑落到杯子里。

采用同样思路，我们可以把岩石加热，让冰晶融化并且蒸发，再收集水蒸汽，是不是就可以得到液态的水了呢？报告中的设计，就是这样展开的。但是小行星上没有大气层，也没有足够的重力，不可能在表面凿个坑来接收阳光。因此，APIS方式采用了一个相反的思路，把小行星整个装进密封囊里，再把阳光引入，来个瓮中捉鳖。

小行星在宇宙中穿行，早就被太阳照射了几十亿年，表面的水早就在阳光、宇宙射线和真空环境的作用下逃散一空了。因此，水冰肯定蕴藏在一定的深度之下。这意味着，如果仅仅用阳光来照射表面，可能什么都得不到。

“光学开采”

如果是在地球上，我们可以设法把小行星敲碎，然后用加热的方式把水蒸发出来。但这对现在的人类航天技术来说并不现实，就算能把碎石机发射到宇宙里，也很难为它们提供足够的电力。对付石头，要找专业人士，于是团队与美国科罗拉多州矿业学校的专家展开了合作。矿业专家们认为，岩石虽然坚硬，但如果把它加热到一定的程度，接近所谓的“亮度温度”，烤上几秒钟，就会有几毫米厚的岩层化为颗粒状。其中蕴藏的水冰自然也会在这个过程中蒸发出来。这一层颗粒脱落后，可以把下面的坚硬岩层暴露出来，再行加温。如此往复，就可以把一颗小行星中的水冰全都烧烤出来。团队把这种设想申请了专利，称之为“光学开采”。

阳光直射当然不可能把岩石加热到亮度温度，必须设法把阳光的能量聚集起来。我们都干过用放大镜烧蚂蚁的事情，但是把大尺寸透镜发射到天上去并不现实，所以团队要用另外一种聚光原理，就是抛物面反射镜。他们最终设计出来的聚光镜看上去有点像菜品展示用的餐具，它的外壳是一个圆台形的透明罩子，阳光穿过罩子照射在底部的大型抛物面反射镜上，然后汇聚到圆台顶部的另一个小型抛物面反射镜上，成为高能量的平行光束。平行光束向下穿过通过大型发射镜底部的孔洞，在倾斜平面反射镜上折转。在研究早期，团队考虑只用一个镜子来聚光，后期为了提高开采效率，团队设想把两副聚光镜配合使用，两路高能量平行光束会合起来，射入一个大型密封囊里。而被烧烤的小行星就关在这个密封囊里。

至于怎么把小行星关进密封囊里，也是有技术基础的，这就是奥巴马执政期间，NASA一直在研究的“小行星重新定向”项目。在最早的规划中，就是打算用探测器携带一个大口袋，慢慢接近一颗不超过10吨的小行星，然后把它兜在口袋里面拖到月球轨道上加以研究。这个方案后来被机械手抓取计划所取代，最后整个“小行星重新定向”项目都被砍掉了，但是多年研究所积累下来的成果却依然有着显著的价值。

▲ “蜜蜂”工作流程图

基于上述技术，科学家们设计出了可以从小行星中采水的叫做“蜜蜂”的装置。“蜜蜂”的工作流程是这样的：

用猎鹰9号火箭或者同等发射能力的火箭送入低轨道，然后展开太阳电池，经过一年左右的飞行接近目标小行星。然后“蜜蜂”会拍摄小行星的照片，供地面人员判读。如果确认这颗小行星有开采价值，“蜜蜂”展开一个古钟形状的罩子，向目标小行星步步紧逼，最终把它吞进罩子。罩子的底部有一组机械手，它可以牢牢地抓住小行星，不让它乱晃。然后收紧罩口，把小行星严密地关在里面。罩子所能容纳的小行星直径一般不能超过10米。

关好小行星后，“蜜蜂”就要展开一对反射镜，高能量平行光束通过一根细长的管子进入罩子，研究团队把这根细长的管子叫做“刺针”。在“刺针”的头部还有一个蓝宝石菲涅尔透镜，可以把平行光束聚焦在一个点上。在强烈光照下，小行星的岩石逐步变成碎块，“刺针”一点点深入小行星深处。最后，小行星完全解体。为了防止解体过程中，岩石碎块和粉末污染甚至损坏透镜，在“刺针”端部还装有一个锥形的保护罩。罩内有一个鼓风设施，不断地把岩石粉末吹出去。

把小行星上的水分抽取出来以后，要用一个容器把它们收集起来。所以，“蜜蜂”上有4个冰袋。水分进入冰袋后就密封起来，准备运到处理设施中分离成分、提取清水。榨干这颗小行星后，“蜜蜂”就会放弃它，然后来到月球逆行轨道上，由航天员操纵机械手或者实施舱外活动，检修和维护“蜜蜂”，更换一些易损部件，然后投入对下一颗小行星的追逐和开采之中。

由于采用了轻质材料，“蜜蜂”不装水时的重量并不大。团队计算得到的理论值只有1836.26千克，其中一些分系统的重量可能在研制中有所上涨，因此团队把总质量放宽了21%，也只有2226.3千克，只有一颗中型通信卫星的发射质量。其中用于捕获小行星的套子最重，达到1056.18千克；4个冰袋共重137.88千克；两只机械手各重139.72千克，放宽50%后为209.58千克；10米长的“刺针”重500.64千克，放宽50%之后达到750.96千克。其他导航、通信、控制、测控、电源、推进等组件各占一部分质量，而最显眼、体积最大的两个聚光镜的质量只有64.62千克，放宽30%之后也不过84.01千克。根据测算，“蜜蜂”的研制费用大约是5亿美元，第一台样机的造价也是5亿美元。

导弹靶场里的试验

在宇宙空间展开这么大尺寸的弧形机构，对表面精度还有严格的要求，显然不是一件很容易做到的事情。但是研究者们并不是毫无基础的，早在上世纪80年代，NASA就启动了称为“太阳光推进”的技术研究。这项技术的基本原理和草原牧民们使用的太阳能锅灶很像，就是用一个抛物面反射镜把阳光集中起来，加热容器中的水或者其他物质。锅灶的目的是加热食物，而太阳光推进是要把水烧成高温高压的射流，再高速喷射出去，作为宇宙飞行的推进力。在1996年，奋进号航天飞机就携带了一副14米直径的柔性可展开式反光镜，在宇宙中进行了成功试验。NASA还在马歇尔飞行中心建设了一个大型的聚光设施。

▲ 光学开采示意图

▲ 绿色部分是开采出来的不纯净水冰

▲白沙导弹靶场中的太阳能热推进实验设施，白色集装箱是升降式实验平台

▲ 1996年，航天飞机STS-77任务携带了一个大型反光镜在太空释放，测试太阳能热推进的聚光镜技术

美国空军对这项技术也很感兴趣，与NASA合作在白沙靶场建立了一个设施，叫做“太阳能热推力设施”，主要由四个大型设备组成：能自动跟踪太阳的平面反射镜、抛物面聚光镜、电脑控制的百叶窗、升降平台试验区。这个设施解决了在宇宙空间聚焦阳光的一些关键技术。因此，研究者们的工作就相对简单了一些。他们研制了一套叫做“阳光熔炉”的试验设备，可以放置在“太阳能热推力设施”的升降平台上。“阳光熔炉”能对岩石样品施加每平方厘米100-200瓦的加热功率，理论上说，可以把样品被照射部分的温度加热到2500开尔文（2226.85℃），但实际上很难达到这么高。如果“蜜蜂”真的制造出来并且进入太空，它的聚光能力会比“阳光熔炉”强三倍，照射在小行星表面的峰值功率可以达到每平方厘米687瓦。因此，研制团队打算申请更多拨款，开展第二阶段研制来制造更大功率的“阳光熔炉”。

不过，即使这个缩水版的“阳光熔炉”，也足以证明团队的想法是正确的。他们把一块质量为1.32千克的模拟小行星岩石放进真空试验舱。当照射到第50秒的时候，岩石表面就出现了明显的崩裂，到第56秒的时候掉了一大块下来。经过一段时间的聚光照射后，岩石的本体只剩下了998克重，另外还有220克岩石变成了碎末。至于消失的质量，那自然就是水和各种挥发性物质了。这次试验表明，用高温光束照射小行星，是可以让它逐步碎裂解体，进而把其中的挥发性物质完全提取出来的。

但是，用别人的设施来做实验总是不太方便。而且在现在这个阶段，动用白沙靶场的大型设施，费用也太高了一些。因此，研究团队打算在第二阶段工作中开发一个只有几米长的专用设施，用32千瓦的氙灯来模拟太阳，在试验中不断完善细节设计，包括冷却方式、照射距离、反射镜焦距等等。