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2025-03-18 10:00:30
太空采矿，这个以往在科幻小说和电影中出现的场景，正在逐步走向现实。近日，我国首台太空采矿机器人在中国矿业大学诞生。
01 国内首个“星际矿工”诞生
中国矿业大学刘新华教授团队研发的多功能太空采矿机器人，其基本形态为六足模式，有三个轮足和三个爪足。之所以这样设计，主要是为了适应太空中的微重力环境。
太空采矿机器人要在地外星体上完成地质勘探和矿物采集任务，钻探属于必备技能。在地球重力环境下，机器人本身的重量就足以支撑钻头钻进，而月球重力只有地球的六分之一，小行星上大多是低微重力，如何让钻头顺利钻进星体表面就成了大问题。
为了解决失重带来的漂移，科研团队想到了模拟昆虫的爪刺结构，于是为太空采矿机器人设计了特殊的爪刺足。
刘新华教授介绍，这种结构属于阵列式的爪刺，微重力环境下，它的附着能力更强，抓地能力更强。在微重力环境下不仅能够让机器人固定住进行采样，还能根据地形进行移动。
不仅能适应太空的微重力环境，“采用仿生六足移动结构”的机器人足末端有车轮和锚固结构两种配置，让它可以在小行星坑洼不平的地面上行走。目前，太空采矿机器人原型机已经向有关部门申请专利，并且通过了初审。
刘新华教授表示，科研团队已经实现了太空微重力的等效实验，这个机器人在模拟月壤的环境下，实现了行走、锚固，甚至采样。
02 “星际矿工”的“十八般武艺” 如何练成
太空采矿机器人要在太空星体上完成探矿采矿工作，不仅要面对微重力的问题，还要面对极端温差、真空、太空辐射以及重量体积限制等一系列难题。如何让机器人练就“十八般武艺”？刘新华教授团队给太空采矿机器人搭建了一个特殊的“训练场”。
中国矿业大学机电工程学院副教授华德正介绍，搭建这个环境主要考虑两个方面，一个方面就是模拟近地小行星表面的风化程度，主要是以沙壤为主。另一块就是微重力环境，团队设计的这种悬吊机构，通过垂直的悬吊抵消它的重力，实现微重力的变化。
团队成员介绍，经过在沙盘上不断训练，目前，通过六足差动系统悬架、离合器等协同工作，太空采矿机器人已经可以根据工作环境调整自身结构形状，适应地外星体的复杂地表环境。
要掌握更多勘探的绝活，太空采矿机器人还需要到中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室进行“进阶训练”，这里可以精准模拟月球表面极端环境。
这个设备主要是将月球的原位环境模拟出来。六分之一G重力场，超高真空的环境。月球上白天可以达到130℃的高温，晚上可以达到-180℃，甚至在极区可以达到-250℃的低温。
不仅实现对月球小重力场等极端环境的长时间、高精度模拟，这一装置中正在开展的两个研究，“月球资源特征与储层物性原位探测方法与装备”“月球极区水冰资源温控贯入开采与原位制氢方法与装备”，也都是太空采矿研究的重点科研项目。
将环境模拟出来以后，再采用和月壤性质相似的模拟月壤，将月球地层的特性高保真重现出来。实际上它就是跟月球上基本一致的状态。这时候再去做实验，实际上跟月球上的数据是接近的。
03 人类有望试验性开采 近地星体上的太空资源
开发太空资源不仅是科技竞争的制高点，更承载着未来人类文明可持续发展的希望。专家介绍，基于现有的空间科学技术、航空航天技术以及采矿技术等，人类有望在几十年内实现试验性开采近地星体上的太空资源。
专家介绍，在有限的地球资源最终将面临枯竭困境的威胁下，人类走向太空是必然选择。月球作为地球唯一的天然卫星，同时具有距地球相对较近的优势和丰富的资源，目前对月球资源的探索研究全球关注度最高，科研投入也最大。
04 月球上的资源很丰富(fù)吗(ma)？
月(yuè)球(qiú)上(shàng)蕴(yùn)含(hán)丰(fēng)富(fù)的(de)金(jīn)属(shǔ)、非(fēi)金(jīn)属(shǔ)及(jí)气(qì)体(tǐ)资(zī)源(yuán)。目(mù)前(qián)探(tàn)测(cè)表(biǎo)明(míng)，月(yuè)球(qiú)资(zī)源(yuán)可(kě)分(fēn)为(wèi)水(shuǐ)冰(bīng)型(xíng)、气(qì)体(tǐ)型(xíng)、钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)型、斜长岩型和磷酸盐型5种。
水冰：月球水冰以结合水和游离水两种形态赋存。结合水通过化学键赋存于全月月壤/岩矿物组分中，其含量仅为120～180ppm，开采难度大、潜力低。游离水富集于两极永久阴影区月壤层，含量高达10%，是水冰资源开采主要对象。月球极区可开采水冰赋存面积可达1850平方千米、估算总储量约为3×109吨。开采水冰资源可有效解决科研站运行、航天员驻扎和生存用水需求，是月球科研站运行和长期驻人的前提条件。水冰通过电解等手段二次加工后还可制造氧气和氢气。月球上没有大气层，氧气是航天员月面驻扎和生存最基本条件之一。氢气液化(huà)后(hòu)可(kě)作(zuò)为(wèi)优(yōu)质(zhì)火(huǒ)箭(jiàn)燃(rán)料(liào)，有(yǒu)效(xiào)解(jiě)决(jué)月(yuè)面(miàn)运(yùn)输(shū)、地(de)月(yuè)往(wǎng)返(fǎn)及(jí)向(xiàng)火(huǒ)星(xīng)等(děng)更(gèng)远(yuǎn)星(xīng)球(qiú)飞(fēi)行(xíng)的(de)燃(rán)料(liào)需(xū)求(qiú)。因(yīn)此(cǐ)，中(zhōng)国(guó)国(guó)家(jiā)航(háng)天(tiān)局(jú)、美(měi)国(guó)国(guó)家(jiā)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)局(jú)、欧(ōu)洲(zhōu)航(háng)天(tiān)局(jú)、俄(é)罗(luō)斯(sī)联(lián)邦(bāng)航(háng)天(tiān)局(jú)等(děng)均(jūn)将(jiāng)水(shuǐ)冰(bīng)资(zī)源(yuán)开(kāi)采列(liè)为(wèi)本(běn)轮(lún)探(tàn)月(yuè)优(yōu)先(xiān)任(rèn)务(wu)。
月(yuè)球(qiú)水(shuǐ)冰(bīng)来(lái)源(yuán)于(yú)岩(yán)浆(jiāng)洋(yáng)演(yǎn)化(huà)、彗(huì)星(xīng)等(děng)撞(zhuàng)击(jī)带(dài)入(rù)和(hé)太(tài)阳(yáng)风(fēng)注(zhù)入(rù)。就(jiù)游(yóu)离(lí)水(shuǐ)冰(bīng)而(ér)言(yán)，月(yuè)表(biǎo)极(jí)端(duān)低(dī)温(wēn)、超(chāo)高(gāo)真(zhēn)空(kōng)环(huán)境(jìng)导(dǎo)致(zhì)其(qí)只(zhǐ)能(néng)以(yǐ)冰(bīng)和(hé)水(shuǐ)汽(qì)两(liǎng)种(zhǒng)相(xiāng)态(tài)赋(fù)存(cún)。地(de)质(zhì)演(yǎn)化(huà)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，不(bù)同(tóng)来(lái)源(yuán)的(de)水(shuǐ)冰(bīng)通(tōng)过(guò)冷(lěng)阱(jǐng)捕(bǔ)获(huò)、温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)迁(qiān)移(yí)、月(yuè)壤(rǎng)层(céng)沉(chén)积(jī)、高(gāo)温(wēn)升(shēng)华(huá)、低(dī)温(wēn)凝(níng)华(huá)等(děng)复(fù)杂(zá)作(zuò)用(yòng)，最(zuì)后(hòu)在(zài)月(yuè)壤(rǎng)层(céng)特(tè)定(dìng)深(shēn)度(dù)富(fù)集形(xíng)成(chéng)水(shuǐ)冰(bīng)资(zī)源(yuán)层(céng)。开(kāi)采过(guò)程(chéng)中(zhōng)，储(chǔ)层(céng)中(zhōng)的(de)水(shuǐ)冰(bīng)受(shòu)到(dào)温(wēn)度(dù)扰(rǎo)动(dòng)极(jí)易(yì)升(shēng)华(huá)相(xiāng)变(biàn)，进(jìn)而(ér)改(gǎi)变(biàn)局(jú)部(bù)区(qū)域的真空度；温度和真空度的变化亦会进一步影响水冰相态转化。同时，开采过程导致的月壤孔隙结构演化、局部温度和真空度变化导致的温压梯度，均会诱使升华后的水汽逃逸。当前世界各国均在积极研发月球水冰资源开采技术及装备。
氦-3：氦-3是月球气体型资源的典型代表，以吸附方式赋存于月壤颗粒中。作为氦的同位素，氦-3包含一个中子和两个质子，能够在核聚变反应中生成巨大能量但不产生中子辐射。相较于其他核聚变材料，氦-3具有清洁、高效、可控性强等优点，是未来可控核聚变的理想燃料。同时，由于特殊的超流性、稳定性、非辐射性等特征，氦-3还广泛用于核磁共振造影、超低温制冷、中子探测器制造、核电站安全检测、核爆及隐藏核材料探测等国防、航天航空、医疗和低温物理等领域。然而，地球上氦-3储量极为稀缺，仅有500千克左右，这导致其价格高达每千克600万美元。
相较于地球上的珍稀性，月球上氦-3储量极为丰富。氦-3来源于太阳内部核聚变、并以高能粒子形式通过太阳风向宇宙扩散。月球没有大气层，其磁场不足地球的千分之一，使得太阳风能够直射月球表面并将氦-3注入月壤层。同时，月表温度在月夜最低可达-180℃，极地永久阴影区甚至可达-250℃。极低温环境有效促进了氦-3在月壤层中吸附，并阻止其脱附和向太(tài)空(kōng)逃(táo)逸(yì)，进(jìn)而(ér)使(shǐ)得(de)其(qí)在(zài)月(yuè)表(biǎo)富(fù)集。前(qián)期(qī)通(tōng)过(guò)光(guāng)谱(pǔ)仪(yí)等(děng)手(shǒu)段(duàn)已(yǐ)经(jīng)探(tàn)明(míng)，月(yuè)球(qiú)上(shàng)氦(hài)-3的(de)品(pǐn)位(wèi)约(yuē)为(wèi)30μg/g、全月(yuè)氦(hài)-3换(huàn)算(suàn)储(chǔ)量(liàng)高(gāo)达(dá)110万(wàn)吨(dūn)，可(kě)作(zuò)为(wèi)清(qīng)洁核原料供地球使用约1万年。嫦娥五号采样返回后，中国科学院在月壤颗粒非晶体玻璃质中首次发现了直径5～25纳米的氦气泡，并受此(cǐ)启(qǐ)发(fā)提(tí)出(chū)了(le)氦(hài)-3开(kāi)采的(de)新(xīn)思(sī)路。
钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)：钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)或(huò)物(wù)理(lǐ)手(shǒu)段(duàn)提(tí)炼(liàn)后(hòu)可(kě)获(huò)得(de)铁(tiě)、钛(tài)金(jīn)属(shǔ)和(hé)氧(yǎng)气(qì)，为(wèi)月(yuè)球(qiú)科(kē)研(yán)站(zhàn)建(jiàn)设(shè)和(hé)航(háng)天(tiān)员(yuán)生(shēng)存(cún)提(tí)供(gōng)必(bì)需(xū)原(yuán)料(liào)。同(tóng)时(shí)，钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)与(yǔ)氢(qīng)气(qì)通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)（氢(qīng)还(hái)原(yuán)法(fǎ)）还(hái)可(kě)以(yǐ)生(shēng)成(chéng)水(shuǐ)，是(shì)除(chú)了(le)水(shuǐ)冰(bīng)开(kāi)采外(wài)，解(jiě)决(jué)月(yuè)球(qiú)用(yòng)水(shuǐ)需(xū)求(qiú)的(de)最(zuì)主要(yào)途(tú)径。月(yuè)海(hǎi)玄(xuán)武(wǔ)岩(yán)富(fù)含(hán)铁(tiě)、钛(tài)等(děng)元(yuán)素(sù)，探(tàn)测(cè)表(biǎo)明(míng)其(qí)钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)含(hán)量(liàng)最(zuì)高(gāo)可(kě)达(dá)30%，初(chū)估(gū)质(zhì)量(liàng)约(yuē)为(wèi)1100万(wàn)亿(yì)～2000万(wàn)亿(yì)吨(dūn)，是(shì)当(dāng)前(qián)月(yuè)球(qiú)上(shàng)开(kāi)采需(xū)求(qiú)和(hé)潜(qián)力(lì)最(zuì)大(dà)的(de)矿(kuàng)物(wù)之(zhī)一(yī)。中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)地(de)球(qiú)化(huà)学(xué)研(yán)究(jiū)所(suǒ)曾(céng)经(jīng)做(zuò)过(guò)估(gū)算(suàn)，只(zhǐ)需(xū)在月(yuè)海(hǎi)区(qū)域40厘(lí)米(mǐ)深(shēn)度(dù)范(fàn)围(wéi)内(nèi)开(kāi)采200立(lì)方(fāng)米(mǐ)月(yuè)壤(rǎng)，即(jí)可(kě)提(tí)炼(liàn)10吨(dūn)钛(tài)铁(tiě)矿(kuàng)、生(shēng)成1吨水。
此外，月球高地斜长岩中富集硅、铝、钙等元素，对应氧化物含量分别高达45%、34%和20%；克里普岩中含有大量钾、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素储量约为225亿～450亿吨、铀储量高达50亿吨，均(jūn)远(yuǎn)高(gāo)于(yú)地(de)球(qiú)储(chǔ)量(liàng)。开(kāi)采这些矿产资源除了能够供给月球基地建设、日常运维和保障航天员生存外，还可以有效补足地球资源的短缺。
来源：综合央视新闻、光明日报等
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