中国首个太空采矿机器人来了！“星际矿工”如何采矿？

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(shén)至(zhì)采样(yàng)。

02 “星(xīng)际(jì)矿(kuàng)工(gōng)”的(de)“十(shí)八(bā)般(bān)武(wǔ)艺(yì)” 如(rú)何(hé)练(liàn)成(chéng)

太(tài)空(kōng)采矿(kuàng)机(jī)器(qì)人(rén)要(yào)在(zài)太(tài)空(kōng)星(xīng)体(tǐ)上(shàng)完(wán)成(chéng)探(tàn)矿(kuàng)采矿(kuàng)工(gōng)作(zuò)，不(bù)仅(jǐn)要(yào)面(miàn)对(duì)微(wēi)重(zhòng)力(lì)的(de)问(wèn)题(tí)，还(hái)要(yào)面(miàn)对(duì)极(jí)端(duān)温(wēn)差(chà)、真(zhēn)空(kōng)、太(tài)空(kōng)辐(fú)射(shè)以(yǐ)及(jí)重(zhòng)量(liàng)体(tǐ)积(jī)限(xiàn)制(zhì)等(děng)一(yī)系(xì)列(liè)难(nán)题(tí)。如(rú)何(hé)让(ràng)机(jī)器(qì)人(rén)练(liàn)就(jiù)“十(shí)八(bā)般(bān)武(wǔ)艺(yì)”？刘(liú)新(xīn)华(huá)教(jiào)授(shòu)团(tuán)队(duì)给(gěi)太(tài)空(kōng)采矿(kuàng)机(jī)器(qì)人(rén)搭(dā)建(jiàn)了(le)一(yī)个(gè)特(tè)殊(shū)的(de)“训(xun)练(liàn)场(chǎng)”。

中(zhōng)国(guó)矿(kuàng)业(yè)大(dà)学(xué)机(jī)电(diàn)工(gōng)程(chéng)学(xué)院(yuàn)副(fù)教(jiào)授(shòu)华(huá)德(dé)正(zhèng)介(jiè)绍(shào)，搭(dā)建(jiàn)这(zhè)个(gè)环(huán)境(jìng)主要(yào)考(kǎo)虑(lǜ)两(liǎng)个(gè)方(fāng)面(miàn)，一(yī)个(gè)方(fāng)面(miàn)就(jiù)是(shì)模(mó)拟(nǐ)近(jìn)地(de)小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)表(biǎo)面(miàn)的(de)风(fēng)化(huà)程(chéng)度(dù)，主要(yào)是(shì)以(yǐ)沙(shā)壤(rǎng)为(wèi)主。另(lìng)一(yī)块(kuài)就(jiù)是(shì)微(wēi)重(zhòng)力(lì)环(huán)境(jìng)，团(tuán)队(duì)设(shè)计(jì)的(de)这(zhè)种(zhǒng)悬(xuán)吊(diào)机(jī)构(gòu)，通(tōng)过(guò)垂(chuí)直(zhí)的(de)悬(xuán)吊(diào)抵(dǐ)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(chà)动(dòng)系(xì)统(tǒng)悬(xuán)架(jià)、离(lí)合(hé)器(qì)等(děng)协(xié)同(tóng)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(dào)130℃的(de)高(gāo)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吗？

月球上蕴含丰富的金属、非金属及气体资源(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(xíng)、斜(xié)长(zhǎng)岩(yán)型(xíng)和(hé)磷(lín)酸(suān)盐(yán)型(xíng)5种(zhǒng)。

水(shuǐ)冰(bīng)：月(yuè)球(qiú)水(shuǐ)冰(bīng)以(yǐ)结(jié)合(hé)水(shuǐ)和(hé)游(yóu)离(lí)水(shuǐ)两(liǎng)种(zhǒng)形(xíng)态(tài)赋(fù)存(cún)。结(jié)合(hé)水(shuǐ)通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)键赋(fù)存(cún)于(yú)全月(yuè)月(yuè)壤(rǎng)/岩(yán)矿(kuàng)物(wù)组(zǔ)分(fēn)中(zhōng)，其(qí)含(hán)量(liàng)仅(jǐn)为(wèi)120～180ppm，开(kāi)采难(nán)度(dù)大(dà)、潜(qián)力(lì)低(dī)。游(yóu)离(lí)水(shuǐ)富(fù)集于(yú)两(liǎng)极(jí)永(yǒng)久(jiǔ)阴(yīn)影(yǐng)区(qū)月(yuè)壤(rǎng)层(céng)，含(hán)量(liàng)高(gāo)达(dá)10%，是(shì)水(shuǐ)冰(bīng)资(zī)源(yuán)开(kāi)采主要(yào)对(duì)象(xiàng)。月(yuè)球(qiú)极(jí)区(qū)可(kě)开(kāi)采水(shuǐ)冰(bīng)赋(fù)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。氢气液化后可作为优质火箭燃料，有效解决月面运输、地月往返及向火星等更远星球飞行的燃料需求。因此，中国国家航天局、美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局等均将水冰资源开采列为本轮探月优先任务。

月球水冰来源于岩浆洋演化、彗星等撞击带入和太阳风注入。就游离水冰而言，月表极端低温、超高真空环境导致其只能以冰和水汽两种相态赋存。地质演化过程中，不同来源的水冰通过冷阱捕获、温度梯度迁移、月壤层沉积、高温升华、低温凝华等复杂作用，最后在月壤层特定深度富集形成水冰资源层。开采过程中，储层中的水冰受到温度扰动极易升华相变，进而改变局部区域的真空度；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(guò)程(chéng)导(dǎo)致(zhì)的(de)月(yuè)壤(rǎng)孔(kǒng)隙(xì)结(jié)构(gòu)演(yǎn)化(huà)、局(jú)部(bù)温(wēn)度(dù)和(hé)真(zhēn)空(kōng)度(dù)变(biàn)化(huà)导(dǎo)致(zhì)的(de)温(wēn)压(yā)梯(tī)度(dù)，均(jūn)会(huì)诱(yòu)使(shǐ)升(shēng)华(huá)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(yī)个(gè)中(zhōng)子(zi)和(hé)两(liǎng)个(gè)质(zhì)子(zi)，能(néng)够(gòu)在(zài)核(hé)聚(jù)变(biàn)反(fǎn)应(yīng)中(zhōng)生(shēng)成(chéng)巨(jù)大(dà)能(néng)量(liàng)但(dàn)不(bù)产(chǎn)生(shēng)中(zhōng)子(zi)辐(fú)射(shè)。相(xiāng)较(jiào)于(yú)其(qí)他(tā)核(hé)聚(jù)变(biàn)材(cái)料(liào)，氦(hài)-3具(jù)有(yǒu)清(qīng)洁(jié)、高(gāo)效(xiào)、可(kě)控(kòng)性(xìng)强(qiáng)等(děng)优点，是未来可控核(hé)聚(jù)变(biàn)的(de)理(lǐ)想(xiǎng)燃(rán)料(liào)。同(tóng)时(shí)，由(yóu)于(yú)特(tè)殊(shū)的(de)超(chāo)流(liú)性(xìng)、稳(wěn)定(dìng)性(xìng)、非(fēi)辐(fú)射(shè)性(xìng)等(děng)特(tè)征(zhēng)，氦(hài)-3还(hái)广(guǎng)泛(fàn)用(yòng)于(yú)核(hé)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)造(zào)影(yǐng)、超(chāo)低(dī)温(wēn)制(zhì)冷(lěng)、中(zhōng)子(zi)探(tàn)测(cè)器(qì)制(zhì)造(zào)、核(hé)电(diàn)站(zhàn)安(ān)全检(jiǎn)测(cè)、核(hé)爆(bào)及(jí)隐(yǐn)藏(cáng)核(hé)材(cái)料(liào)探(tàn)测(cè)等(děng)国(guó)防(fáng)、航(háng)天(tiān)航(háng)空(kōng)、医(yī)疗(liáo)和(hé)低(dī)温(wēn)物(wù)理(lǐ)等(děng)领(lǐng)域。然(rán)而(ér)，地(de)球(qiú)上(shàng)氦(hài)-3储(chǔ)量(liàng)极(jí)为(wèi)稀(xī)缺(quē)，仅(jǐn)有(yǒu)500千(qiān)克(kè)左(zuǒ)右(yòu)，这(zhè)导(dǎo)致(zhì)其(qí)价(jià)格(gé)高(gāo)达(dá)每(měi)千(qiān)克(kè)600万(wàn)美(měi)元(yuán)。

相(xiāng)较(jiào)于(yú)地(de)球(qiú)上(shàng)的(de)珍(zhēn)稀(xī)性(xìng)，月(yuè)球(qiú)上(shàng)氦(hài)-3储(chǔ)量(liàng)极(jí)为(wèi)丰(fēng)富(fù)。氦(hài)-3来(lái)源(yuán)于(yú)太(tài)阳(yáng)内(nèi)部(bù)核(hé)聚(jù)变(biàn)、并(bìng)以(yǐ)高(gāo)能(néng)粒(lì)子(zi)形(xíng)式(shì)通(tōng)过(guò)太(tài)阳(yáng)风(fēng)向(xiàng)宇(yǔ)宙(zhòu)扩(kuò)散(sàn)。月(yuè)球(qiú)没(méi)有(yǒu)大(dà)气(qì)层(céng)，其(qí)磁(cí)场(chǎng)不(bù)足(zú)地(de)球(qiú)的(de)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空逃逸，进而使得其在月表富集。前期通过光谱仪等手段(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(jié)核(hé)原(yuán)料(liào)供(gōng)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，并受此启发提出了氦-3开采的新思路。

钛铁矿：钛铁矿通过化学(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)估质量约为1100万亿～2000万亿吨，是当前月球上开采需求和潜力最大的矿物之一。中国科学院地球化学研究所曾经做过估算，只需在月海区域40厘米深度范围内开采200立方米月壤，即可提炼10吨钛铁矿、生成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，均远高于地球储量。开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