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从月球上运输矿物回地球,成本有多高?

图片:Photoshop_Addict / CCO

方杨,专注于真空和可控气氛环境下的冶炼设备研发与制造。

这个话题非常具有现实意义,而且“运输”这个概念涉及到多个学科,多领域,我们可以尝试广泛讨论一下。受到其他回答的启发与刺激,我想尝试设计一个多段运输模式,给大家讨论,我会把之后的讨论内容更新到一起,方便查看。

首先,设计说明部分。

一、设计原则:根据成本和安全性,将这条从月球到地球的运输先,拆分成几段,每一段运输都采用最合理(最低成本)的方式。

二、设计的参考项:不限于运输本身,还要综合考量月球产出矿物产品的利用价值,以达到最佳经济效益。

三、实时性:根据其他行业或公司的最新进展,有一定的前瞻性和预测性质,不完全是已有技术。

然后,让我们从月球开始。

一、从月球发射物资(不包含人员),最廉价的方式应该是电磁炮弹射。根据美国《太空》网站在当地时间 5 号发布的消息,美国海军相关部门正在研发一款新型电磁轨道炮,用来协助美国登月部门在月球上采矿。该网站介绍称:目前电磁轨道炮的发射速度已经达到 7400 公里\小时,而这个速度已经无比接近月球表面 8530 公里\小时的逃逸速度,因此,电磁轨道炮完全可以为美国重返月球提供重要帮助。

美国军方数据我们难以获得,但是还有其他人也对这个方向感兴趣,比如北京大学物理学院的一个本科生科研课题小组,也在做这方面研究。按照他们的计算,设定一些典型参数,例如抛射体质量为 10 吨、线圈间距为 1m 等,则可以计算出此时的加速度可以达到约为 9.7km/s²。这时候轨道长度是 5000m,考虑到月面无大气环境,架设轨道难度很低,只需要在月面使用月壤混凝土或者月球生产的钢轨,就能实现。(关于月面建设的工程问题,下面介绍)

在这种条件下,第一段发射实际上只需要建设成本。

二、从月球轨道运送至近地轨道,比如地球空间站。

这段可能是成本最低的了,在无重力环境下,太空飞行器拖运几十吨几百吨物资的成本,应该只包含飞行器本身。其技术难度,主要在于空间站对接,大质量物体只要控制好飞行速度与空间站一致。

事实上,这部分问题有人更着急,还记得前一段时间的新闻吗?《全球首个太空采矿专业开始正式招生了!》,而且据说已报名的学生中间,有一个中国人,可惜我没查到名字。美国科罗拉多矿业学院太空资源中心开设的这门课程,研究的就是从小行星带寻找有价值的小行星,主要是各类金属小行星,然后把它们拖运回地球。

注:法律问题也已经解决,2016 年美国总统奥巴马签署了《美国商业太空发射竞争法案》(The U.S. Commercial Space Launch Competitiveness Act)。

我觉得他们这个项目,如果要实施,其最后一步才是最难的,怎么把重量几十吨、几百吨,甚至是几千吨的矿石运到地面?这个解决方案离不开月球,他们只是进行了矿产勘探,挖掘运输的步骤,没有进行冶炼,那么,月球就是对这些矿石进行冶炼加工的矿冶基地。将矿石冶炼,提纯,加工成标准尺寸,再运送到近地轨道空间站。

三、这时候,我们该考虑怎么把大质量的产品运送至地面的问题了。

让我们参考航天器的返回舱,我们的神舟系列飞船,是采用以烧蚀防热为主、以辐射式防热和隔热为辅的防隔热材料构建防护层体系。其中,烧蚀材料,通常是高分子材料,在月球生产不易,应尽量减少,或者不用。辐射式防热材料主要使用热传导能力差的钛合金,这是月球主要的矿产之一,冶炼方式也有成型技术。隔热材料,月壤就是很好的隔热材料。所以,从防护体系方面,月球自产的产品可以满足返回货仓的需要。

另外,考虑安全性。还是参照返回舱技术,目前采用降落伞降速,在打开降落伞之前,匀速 200 米 / 秒,打开之后载人返回舱的落地速度是 6-7 米 / 秒,无人仓是 10-14 米 / 秒。但是考虑到,即便是无人仓,也会携带电子仪器,所以它在设计的时候,还是很保守的,如果是纯金属材料,不含精密的结构件,它可以承受更高的落地速度,可以取消火箭减速环节,进一步降低成本。


以上,为从月球运输矿物到地球的步骤,以及设计可行性。请大家讨论,如果方案没有问题,我们再进入下一环节,成本核算。

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