小行星开采，有些早鸟已经在行动
>> 本期内容改编自湖南科技出版社的《迷人的技术》，本节目的播出已经获得了湖南科技出版社的授权，在此表示感谢。
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上期讲太空电梯的节目播出后，在留言中有两个普遍的疑问。
第一个是为什么我在所有通往太空的廉价方案中没有提到可控核聚变引擎？这是因为我们的前提是从地球通往太空的廉价方案，而不是在太空中航行的廉价方案。这两者之间是有区别的。可控核聚变引擎在摆脱地心引力方面并没有比传统火箭有优势，关键在于火箭是一种工质发动机，要达到很高的加速度，必须要携带大量的可喷出物，目前我还没有看到有哪种可控核聚变的设计方案能达到很大的加速度。最常见的一种设计方案是离子发动机，通过核聚变产生的高温将物质变成离子状态喷出，但这种方案只能产生持续的微小的加速度，在太空中做远距离航行有优势，但对于摆脱地心引力不起作用。
第二个问题是关于上帝之杖的。上期节目谈到上帝之杖的威力时，用了核弹做比喻，这个是作者写在原书上的，我没有做核实直接就用了这个比喻，在一些听众提出疑问后，我又去查了一下资料。理论上，如果从 1000 公里的上空扔出密度很大的金属物体，产生的能量大约是每吨抛出物可以产生相当于 2 吨 TNT 爆炸当量的能量，有些人计算数值比这个小是因为他忘记考虑这个物体的初速度了，它在 1000 公里的天上可不是静止的。军事上一般把小于 1000 吨 TNT 爆炸当量的核弹叫微型核弹，美国人上世纪五十年代制造的 M388 核炮弹据说是世界上最小的核弹，爆炸当量最小是 10 吨 TNT ，这个爆炸威力也是相当惊人的，在一次实验中，可以摧毁 600 米半径内的建筑物和 5 公里半径内的所有生命。因此，我觉得上帝之杖的比喻虽然是夸大其词了，但也不能说是胡说八道。
今天我们来谈开采小行星的话题。
请你先想一个问题，为什么地球上的那些贵金属矿物大都是埋在深深的地下的，而且越是重的金属，往往也就埋的越深。其实这是必然的，首先，你要知道地球上的所有金属元素，甚至所有比氦元素更重的元素都是来自于太阳系形成前的一团宇宙尘埃，而这团宇宙尘埃又是一颗超新星爆炸后的残骸。至于为什么会这样，你可以去听我《宇宙自然生命简史》那个系列节目的第五集：超新星与生命。我们的地球在形成的初期，是一个炽热的岩浆球，于是，就好像在水中重的东西会下沉一样，重力会将较重的元素移动到地心，较轻的元素留在地表。那为什么我们还能在地壳甚至地表中就找到金属呢？一是因为刚才说的那个过程并不是完美的，总有各种各样的原因导致轻重元素在实现完美的分层前地球就已经冷却了、变硬了，另一个原因是地球上的火山会把地底深处的物质带到地表。但总体来说，要找重金属矿物，都需要掘地三尺。
知道了这个原理，你就能想明白为什么小行星很可能会富含矿物了。小行星要么是直接来自太阳系形成前的那团最初的宇宙尘埃，要么是一颗行星被撞碎后的残渣。在火星和木星之间，有一个小行星带，那里估计有 50 万颗这样的小行星，它们含有极为丰富的矿物资源。
科学家把小行星分成了三类：C型（碳质的）、S型（石质的）和M型（金属的）。碳质小行星含有很多有益于人类健康的物质，例如碳和水。某些C型小行星含有的某种形态的水可能多达 20% 。石质小行星充满了硅酸盐矿物。
有些小行星完全是由金属所构成的，例如天然的不锈钢、镍和铁……我们所知最小的一颗近地小行星有 2 公里的直径，也就是小行星 3554 。它含有的金属量是人类曾在地球上开采过的金属总量的 40 倍。而像这样的小行星有几千颗之多。
不过，只要简单算一笔账，在人类还不能实现廉价进入太空之前，把小行星中的矿物运回地球是完全不值得的。首先，就价值而言，像铁、镍这样的金属根本不值得带回地球，因为地球上已经足够多了。那如果只去开采那些昂贵的稀有金属是否值得呢？目前来看也是不值得的。大多数小行星上的稀有金属元素也是需要提炼的，如果不经过提炼，直接把矿石带回地球，那成本就太高了。问题是，我们现在并没有太空提炼厂，甚至连在太空中提炼的技术也不具备，哪怕你把一座地球上的提炼厂完整地搬到太空中，对不起，也不能工作，因为地球上的提炼厂都要借助于地球的重力，在失重状态下，这些工厂的设备全都会罢工。有些爱幻想的同学可能会想，那就在太空中通过一个转盘来制造人工重力呗，理论上可行，但问题是让一个巨大的转盘转起来需要巨大的能量，这些能量同样是巨大的成本，怎么算都是不划算的。
即便我们找到了一颗完全由黄金或者钻石构成的小行星，运回地球也照样会亏本，因为物以稀为贵，当你把那么大量的黄金、钻石运回地球后，它们的价格自然就会下跌。有些同学第一反应可能是，那能不能我囤积居奇，一点点地出货。很遗憾，经济学告诉我们，这没用，因为决定价格的最终是供求关系。你只要低于市场价格抛售，一定会有别的公司跟着降价，你们俩一打价格战，最终这个价格就一定跳水，你为了回本，就会不得不抛售更多的存货，而市场上的货越多，价格就越高不起来，这是因为人们对这些贵金属的总需求是有限的，不是无限的。除非你能在小行星中找到一种什么物质地球上根本没有，而且这种物质人人都需要，比如能治疗癌症，并且还是消耗品，那你才能发财。但目前看来，小行星上没有发现这么神奇的物质。
那这样说来，开采小行星还有什么意义呢？意义当然是有的，前面我们说的只是把小行星上的矿物运回地球没有什么意义，但如果我们不是运回地球，而是直接在太空中使用，那就有重大意义了。比如说，我们如果想在太空中建造一个巨大的设备，比如说一块巨大的太阳能面板，或者一个定居点，那么，从太空中获得建筑材料就会比从地球上上获得更便宜了。你应该还记得，现在从地球往太空中运东西，每公斤差不多要花1万美元。
接下去我们来谈谈开采小行星的具体方案。我们首先遇到的一个问题就是：如何在小行星上降落？这说起来比做起来容易，因为小行星有很大的概率是处在旋转状态中的。如果小行星的体积足够大，那就能试着去找到它的旋转中心，并在那里降落。
另一个选择是在降落前让小行星停止旋转，但是有两个客观因素决定了这是非常困难的。
第一，让一个旋转中的物体降低速度需要耗费能量。它的体积越大，旋转的越快，你所需的能量也就越多。这是无法回避的，因为这是物理定律决定的。你要么改变旋转，要么找到一种办法来应对它。
第二，很多小行星都是“碎石堆”，这意味着它们本质上是一大堆由微小的重力和分子间的作用力所汇聚起来的岩石和尘土，这令它们难以停止旋转。如果要试着停止这种旋转的话，充其量只会从小行星上炸裂掉一大块下来。这可能会对宇航员产生致命的危险。
接下去一个问题是，如何在小行星上安全地降落呢？要知道，小行星上几乎没有重力。所以，准确地说，在小行星上不存在降落的概念，我们要做的其实是设法贴住并和小行星保持相对静止。
科学家想出了一些解决这个问题的办法，诸如钻孔、发射一把鱼叉、用胶水粘、用挂钩、使用壁虎式的粘性“脚”等等。但最大的麻烦在于，所有的这些方法都不是万能的，一种方法只能对应于一种小行星。如果小行星表面有一层很深的尘土，那钻洞不仅不能提供很好的抓地力，而且“壁虎脚”也帮不上什么忙。如果小行星的表面是坚硬的金属，那鱼叉便会被反弹回来，这很可能会把宇航员弹向太空。如果表面是平坦的岩石，那钩子只会从岩石的表面划过。最理想的做法是提前知道要应对什么情况，但这需要进行细致的探测。
关于小行星的着陆器，有很多种设想，其中有一种很有意思的设计是由北卡罗来纳州立大学的凯伦·丹尼尔斯博士所提出的。她认为一架着陆器可以像一株植物的根茎那样来工作，她说“任何给花园除过杂草的人都知道，要把一株植物直接从地上完整地连根拔起有多么困难。” 她的基本想法是这样的，首先用一些小型挖掘机从不同的地方向下挖掘，到达一定的深度后，它们还可以相互连接起来，这样就会像植物的根系一样提供额外的支撑。
另外一个更加大胆的设计是用一张超级巨大的太空网将整个小行星网住，这听上去有点疯狂，但其实并没有想象的那么疯狂。在太空中，没有重力，也没有风，所以要把一张折叠起来的网张开是很容易的。我们完全可以用一种超强材料，做一张很大很大的网，然后把这张网折叠进一个很小的空间。到了小行星附近后，设法把这张网给展开。一旦成功地把整个小行星网住之后，这张网就会变得非常有用，我们既可以利用这张网，让我们在小行星表面“着陆”，注意，这里的着陆是打引号的，真实的含义是让宇航员能够抓住或者贴住小行星。还有一个更加大的作用，网住了小行星后，我们就可以把小行星拖着走了，把它拖到我们想要让它去的地方，这个会更有价值。
另外还有一个设想是将小行星装进一个巨大的袋子中，然后集中太阳光对它进行加热，再对小行星进行切割。他们把这个过程称为“光学开采”。
关于小行星开采的技术问题我们先探讨到这里，接下去我们要讨论一个问题，按照现行的法律，是不是谁都能去太空开采小行星呢？
这事说起来还有点复杂， 1966 年联合国通过了《外层空间条约》， 1967 年开始生效。这个条约号称是“太空宪法”，其中有一条叫不得据为己有原则：任何国家不得通过提出主权要求，使用、占领或以其他任何方式把外层空间据为己有。但是这条原则说的外层空间，没有明确小行星是不是属于外层空间。更有意思的是， 2015 年 11 月，美国国会通过了众议院 2262 号法案，即美国商业太空发射竞争法案。这项法案规定：“美国公民将享有已获得的任何小行星资源或太空资源，这其中包括适用法律以及美国国际义务下的持有权、所有权、运输权、使用权和售卖权。”
我们如果把美国签署的《外层空间条约》和自己颁布的 2262 号法案结合起来看，用一句话来概括，就是：“美国不能对外太空宣示主权，但美国人能。”
可能你会觉得研究这种法律问题是不是有点无聊，就好像现在研究人工智能有没婚姻权一样。真的不无聊，这个已经是迫在眉睫的事情了。美国国家航空航天局、欧洲空间局、中国国家航天局和日本宇宙航空研究开发机构都已经开展了探访小行星的无人任务。一架名为隼鸟号的日本航天器在 2015 年成功地采集到了微量的小行星尘土并带回了地球。下一代的隼鸟 2 号应该会在 2020 年左右带回更多的小行星尘土。美国国家航空航天局也有一项名为小行星风化层探索者的任务，其探测器应该会在 2023 年左右返回地球。
人类的法律其实已经滞后于太空探索的发展了，在太空中游荡的小行星本质上会成为太空中四处漂浮的资源库，因此一旦出现能使小行星捕获和开采变得更为容易的技术，那就必然会出现资源的争夺。缺少了法律的约束和协调，就很容易引发太空冲突。到时候，出现“太空罪犯”这样的名词也不奇怪了。
哈佛-史密松森天体物理中心的埃尔维斯博士认为，就好像在地球上需要建立大自然保护区一样，未来，我们在太空中或许也需要建立小行星保护区。有些我们星球上没有的东西只会在太空中形成，我们要避免的不仅是破坏人类需要的东西，还要避免破坏我们从未见过的东西。
还有一个值得人们忧虑的问题，如果小行星的转移技术得到了普及，这带来的可能的后果之一是，把一件危险的武器交到了某些人手里。比如说，这颗小行星可以被精准地扔到世界上任何一个大都市，这可真的就是传说中的上帝之杖了。
如果听到这里，你依然觉得小行星开采还是一个十足的科幻话题的话，那么我马上要告诉你，实际上，美国人早已经开始行动，真金白银地投入研发资金了。 2010 年 11 月，行星资源公司在美国注册成立，它的投资人包括谷歌创始人之一拉里·佩奇和卸任谷歌董事长不久的埃里克·施密特以及美国著名的好莱坞大导演卡梅隆等一众知名人士，这家公司的长远目标就是到小行星上去采矿。你不要以为他们是为了哗众取宠、炒作概念，说实话，这些人早就功成名就，过了需要炒作的阶段了。我查阅了一些资料，这家公司的计划是相当务实的。
他们的第一步是搜索目标。为了找到有价值的小行星，就需要制造专用的地面和太空望远镜来寻找目标，因此，这家公司首先将是一个专用望远镜的设计制造和天体搜索公司，他们为此研发出来的各种技术本身也可以产生其他商业价值，这一阶段可能需要持续十几年甚至更长。
第二步是计划发射探测器对目标小行星表面进行测绘，并且包括深度扫描以及采集样本送回地球。
第三步就是去小行星采矿，当然，去采矿的是高度自动化的机器人而不是真人。除了工业提炼贵金属，他们也计划生产水做为太空中的火箭燃料补给之用。
行星资源公司另一个目标是控制体积较小的小行星轨道，这个技术还可以保护地球免遭小行星撞击的厄运。
从他们公布的战略计划就可以看出，虽然他们的目标听上去有一点科幻，其实是一个很务实公司。在查阅这些资料的过程中，我心生感慨，为啥像这样公司，这样的投资人总是出现在美国或者日本？比如美国太空探索公司的火星殖民计划和上期我们说到的那个宣布要建造太空电梯的日本公司，我印象中就没有听说过哪个中国公司提出了一个很科幻的目标。当然，你可以解读为中国人务实不务虚，但也可以解读为中国的有钱人中科幻迷太少，毕竟，任何听上去很科幻的目标都是很花钱的目标，不是富人想都不要去想，普通人想了也白想。
不过，在我国的改革开放的历史上，倒是出现过不少科技骗局，比如说二十多年前，有一个叫沈太福的，号称发明了一种神奇的调速电机，可以节电 70%，远超当时的世界水平，沈太福和他的长城公司集资了 10 多亿人民币，无数人信以为真，最终沈太福被判了死刑。在我的印象中，这几十年来，各种水变油、永动机等等违反基本物理定律的发明也是屡见不鲜，而且信者众多，崔教授的科学顾问陈一文先生就是以坚信水变油技术出名的，他现在自称是义务扶持中国被压制的科学新技术发明者的社会活动家和科技先锋思想探索家。
科幻向前一步就是是科妄。
这个话题就讲到这里，下期节目我们来聊可控核聚变技术。
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