第 3.3 节 - 资源：勘探方法
将材料移动到太空所需的能量在很大程度上取决于必须穿越的重力势能。地球的深重力井需要消耗大量能量才能爬升，这从传统的火箭发射中可以看出。因此，减少太空项目难度和成本的主要方法是利用当地资源，而不是将所有东西都从地球上带走。为了明智地计划利用当地资源，首先需要了解这些资源是什么。找出那里有什么的任务被称为资源勘探，无论是在地球上还是在太空中。本节将讨论勘探方法，以及已知资源的当前清单。接下来的部分将讨论资源的用途和实施方法。
所有寻找资源的方法都涉及首先感知一个位置的特征，记录测量结果，然后解释数据以确定它可以用于什么。历史上，感官设备是人类的感知器官（眼睛、耳朵、皮肤、味觉和嗅觉）。纸和笔，有时还收集样本，用来记录信息，然后人类绘制的 地图和书面记录来解释数据。最近，比人类感官更准确和灵敏的仪器被开发出来。一些仪器可以检测人类无法感知的特性。将仪器与计算机集成，使记录过程自动化，并正在朝着解释步骤自动化迈进。人类更多地担任仪器和计算机的监督角色，尽管仍然进行一定程度的直接局部感知。
科学勘探 - 通常，在使用（例如风力涡轮机发电机的 地图）可用之前，会进行诸如风速等测量，持续数年。这说明了科学数据和商业数据之间的区别。科学知识有时被描述为本身就是好的。一个不太哲学的观点是，我们事先不知道什么知识将被证明有用。因此，我们积累了各种各样的知识，怀着合理的希望，其中一些会变得有用。太空以多种方式影响着地球，了解其他行星的历史有助于我们更好地了解我们所居住的这个特殊的星球。因此，天文学和行星科学预计将在一般情况下会变得有用。
收集“科学”数据也是更详细的勘探和局部利用的第一步，即使我们还不知道确切的用途。如果没有明确的用途，就没有必要隐藏数据或重复工作，因此科学作为一项公开和共享的事业进行。当更多的人能够审查和建立在其他人先前工作的基础上时，这也提供了更好的错误检测和更快的进展。
商业勘探 - 随着用途变得更加局部、私人和商业化，人们越来越倾向于将数据保密，而不是公开。个人利益和优势现在开始发挥作用，并且对一个特定地点进行详细勘探的相对工作量大于一般制图或探测。因此，虽然公共勘探和私人勘探可能使用类似的设备，但对数据的使用方式却有所不同。这在采矿和其他资源开采行业最为明显。一些为商业用途收集的信息最终将被公开发布，并添加到通用知识库中。迄今为止，几乎所有对太空的勘探都是以科学为主导的。
勘探方法可以根据其进行的距离和产生的细节进行划分。这些通常是成反比的——距离越短，细节越多——因为仪器具有固定的传感器分辨率。与数据的解释者之间的距离越大，如无人行星勘探，也与传输速度成反比，原因相同。诸如无线电碟形天线之类的设备用于将数据传回地球，也具有固定的分辨率，因此距离越远，信号强度和带宽越低。因此，由于靠近目标而使用更小的光学器件的优势必须权衡由于远离地球而需要更强大的发射器和更大天线的必要性。
以下部分讨论了各种类型的仪器，这些仪器被归类为远距离、中距离和近距离。远距离意味着仪器比目标更靠近存储和解释位置。中距离意味着仪器比存储/解释地点更靠近目标，但并不直接接触。最后，近距离意味着直接接触目标位置并能够与其交互。
- 望远镜
在 1610 年之前，远距离勘探仅限于人类感官，因此除了天空中物体的亮度和位置之外，人们知之甚少。伽利略为天文学开发的望远镜改变了这种情况，这种变化一直持续到今天，望远镜越来越大，它们运行的波长范围也越来越广。望远镜通常由收集和聚焦低强度光子（光或电磁波）的光学器件以及随后检测集中光子的传感器组成。这使得能够检测原本太暗而无法看到的东西。最初，检测器是人眼，之后是 1840 年开始的摄影，以及 1979 年开始的电子传感器。就光子效率而言，电子传感器比胶片敏感 50 倍。一块照相底片可能代表 4 亿像素的图像分辨率，因此直到最近，传感器阵列才在分辨率和灵敏度上都与底片相匹配。
记录数据的过程已经从天文学家用手写日志和图表记录他们所看到的内容，发展到充当传感器和记录介质的照相底片，再到照相底片的自动化测量以转换为数字形式，最后到将电子传感器数据传输到计算机存储。数据解释现在是通过计算机软件半自动化的。例如，近地天体的检测是通过比较两次的电子图像来实现的。图像之间发生变化的任何东西都是潜在的 NEO，软件会过滤掉已知物体和变星，留下人类需要检查的检测列表。对天文学数据的最终解释是由人类完成的，以地图、目录、技术论文和书籍的形式。
光学望远镜的尺寸（因此灵敏度）不断增加，迁移到观测条件更好的地方（高海拔和干燥，甚至在太空中本身），并开发了自适应光学来克服地球大气层的模糊。对于被大气吸收的其他波长，高海拔或太空是必不可少的。对于长波长，例如无线电波段，单一仪器无法提供足够的解析度。孔径合成，即从相距很远的天文望远镜获得的数据的数学组合，在这种情况下用于提供更高的分辨率。
维基百科上有几篇文章列出了大型仪器。光学反射镜被用于所有最大的仪器，因为大型透镜存在困难。有源检测器通常是电子电荷耦合器件或 CCD，它将光转换为数字信号，并且通常使用光谱仪对入射光按波长进行分类。射电望远镜使用多种设计，其中经常使用各种尺寸的可转向金属碟形天线，以及通过组合来自地球直径的天文望远镜的信号进行孔径合成以获得更高的分辨率。有源检测器通常是低温冷却的固态放大器，以减少噪声。空间望远镜覆盖了许多波长范围，并使用各种检测器类型。在可见光波长附近运行的天文望远镜设计类似于地面光学望远镜。
重力弯曲电磁波，并且由恒星和星系等大质量物体形成的自然透镜已被用来观测透镜后面的遥远物体，以及检测和测量透镜物体。仍然需要一台传统望远镜靠近地球来使用这种效应。这种自然重力透镜是不可转向的。在未来，太阳可能被用作可转向的重力透镜，方法是在您要观察的物体对面位置放置观测望远镜。太阳弯曲光的角度需要超过 550 个天文单位的距离才能达到焦点。使用太阳的吸引力在于它巨大的直径，这将带来高分辨率。在此期间，其他越来越强大的大型望远镜将继续建造，现有的望远镜将升级为更好的仪器并继续使用。
- 陨石
首先，我们来定义一些术语，因为它们可能容易混淆：小行星或流星体是指在太空中运行的天体。流星是指天体进入大气层时因高温而燃烧发光的轨迹，而陨石是指天体落到地面后的残骸。陨石是来自太空环境的直接长距离样本，大自然将它们送到了我们身边，而我们不必亲自去太空采集样本。它们在实验室中提供了有用的比较光谱，可以用来与来自太空物体的望远镜光谱进行比较。我们还可以直接分析它们的成分。如果我们能记录陨石的坠落轨迹，那么它对我们的研究将更有用，因为我们可以推测它来自哪里。陨石的一个缺点是我们无法控制它们在何处或何时坠落。样本返回任务与陨石在将物质带回地球以进行研究的方式类似，但它们可以从更远的距离获取样本。通过将样本储存在容器中返回地球，而不是像陨石那样经历大气层开放通道，然后可能在被拾取之前在地面上暴露很长时间，样本返回任务可以提供更多关于来源位置的信息以及更好的保存状况。
- 雷达和光学测距
一些天体足够接近，可以使用雷达或激光脉冲来确定它们的距离，在某些情况下还可以确定它们的形状。距离测量非常精确，因为探测器的计时精度很高。形状是从返回脉冲的时间分布中获得的，距离较远的部分需要更长的时间才能返回。在物体旋转时，可以利用不同时间的多个脉冲来确定三维形状。反射脉冲强度随距离的四次方反比变化，因为它们都遵循平方反比定律。因此，该方法受到距离的很大限制，但使用超大型无线电天线和强大的发射器在一定程度上克服了这一限制。
通过解释长距离仪器数据，可以获得以下信息类型
位置/轨道 - 通常，这是新发现天体的第一条信息。天空大部分是黑暗的，恒星和其他天体在传感器中显示为亮点。在人类的时间尺度上，恒星彼此之间移动缓慢，移动较慢的恒星被称为固定恒星，即使它们在足够长的时间内并不是静止的。对于这类恒星，它们在天空中位置的记录方式是将经纬度投影到一个假设为无限远的参考球体上。覆盖在固定恒星之上的物体在短时间内会移动。这些是表现出视差或轨道运动的恒星，以及在我们的太阳系内表现出轨道运动的天体。视差是由于地球绕太阳运动而造成的，相对较近的恒星与较远恒星的视位置发生微小的变化。地球轨道宽度按定义为 2 个天文单位，相对于最近恒星的距离（260,000 个天文单位）来说很小。尽管如此，这仍然允许通过简单的三角学直接确定距离。所有更远的天体都需要通过间接方法估算距离。处于双星或更高阶系统（两颗或多颗恒星）中的恒星，或者拥有相对较重的行星的恒星，会显示出微小的运动，这是由这些天体围绕它们共同质心而不是它们自身的中心运动造成的。
对于太阳系内的天体，它们的轨道速度足以在几天或几小时内表现出相对于固定恒星的运动，而不是恒星运动的几个月或几年。在短时间内发生的显著运动是发现太阳系天体的关键特征。否则，无法将它与肉眼可见的大量恒星区分开。通过在已知时间至少进行三次位置测量，可以确定轨道的总体参数。对于发现来说，这些测量通常间隔很短，例如连续的夜晚。通过更多的测量，以及间隔较长的时间的测量，可以获得更长的轨道路径基线，从而可以相当准确地确定轨道参数。
大小 - 天体反射的太阳光比例称为反照率。反照率乘以天体的面积等于其反射的总光量。从轨道参数中，您可以计算出物理距离。观察到的亮度和假设的反照率可以估算出大小。在最初发现时，天体可能只占据传感器上的一个像素，因此无法通过探测器上的图像来测量大小，只能通过亮度进行估算。
- 望远镜/相机
这些仪器的运行方式与地球上的长距离望远镜相同，但由于它们距离目标更近，因此可以获得更高的细节（以像素/公里或米衡量）。除了少数早期的胶片记录器外，航天器都使用电子传感器，它们的数据通常存储在存储设备中，然后传输回地球。需要存储是因为图像记录时间以及传输的时间和速度经常不同，尤其是在望远镜和发射器都固定在航天器机体上的情况下。为不同波长范围设计的传感器可以用于同一仪器，并且可以在传感器前面放置滤光片以选择特定感兴趣的波长。更远的红外波长测量热辐射，除了反射的阳光外，热图的变化率可以指示特性。阳光穿过大气层的吸收可以确定其成分。
- 非成像光学仪器
除了通过望远镜光学直接进行二维成像之外，还可以收集其他几种类型的数据
- 辐射计 - 它测量红外亮度以确定表面温度。
- 偏振计 - 通过偏振板或薄膜测量入射光的偏振。
- 光度计 - 测量物体总亮度，精度很高，不一定需要生成二维图像。
- 光谱仪 - 根据波长分离入射光，并记录每个范围内的亮度。可以从物体的光谱中确定大量关于物体的信息。
- 雷达仪器
雷达或激光脉冲从目标反射回来的时间可以确定距离或高度。合成孔径雷达可以根据多普勒频率变化与返回时间的函数关系确定高度。
- 磁力计
测量目标周围的磁场。
- 高能探测器
这些仪器探测中子、α粒子、离子以及伽马射线，可以提供有关目标成分的信息。在某些情况下，高能自然辐射会撞击目标，并会发射出特征性的二次粒子。在其他情况下，粒子直接由目标发射并被探测到。
- 重力测绘
它本身不是一种仪器，而是利用无线电信号的多普勒和计时信息来推断由目标的重力场引起的航天器运动。两个在轨道上运行的传感器可以通过干涉测量非常准确地确定它们的距离。可以通过此距离的变化来推断重力场的更细微特征。
- 相机
相机和望远镜在根本上是相似的设备，包括光学元件和电子传感器。主要区别在于，在近距离情况下，不需要使用大型光学元件来获得足够的解析度或亮度，并且目标足够近，有时需要比有效无限远更近的焦点。两台相隔一定距离的相机，或从不同位置使用的单台相机可以生成立体数据，从中可以推断出三维形状。当光学元件距离非常近且具有放大功能时，该设备称为显微镜。显微镜检查可以确定矿物类型。
- 穆斯堡尔谱仪
它使用伽马射线源，例如放射性同位素，并测量目标中原子的反冲，以确定它们的成分。
- α粒子谱仪
它使用α粒子、质子和 X 射线组合源，例如一组放射性同位素。返回的 X 射线和粒子的波长和能量是成分的特征，这使得您可以分析样本。
- 激光光谱仪
使用中等功率的激光蒸发目标，然后可以使用产生的发射光谱来确定成分。
- 化学/生物样本室
收集目标样本并存放在样本室中，然后对样本室进行各种液体和条件处理，例如加热。 分析结果的各种方法包括：使用一面照射样本室的光源和另一面的光谱仪进行透射光谱分析，或者使用气相色谱仪或质谱仪来确定释放的挥发性气体的成分。 使用类似方法测试目标的生物活性或与地球生物的相容性。
- 动能勘探
穿越月球等天体的崎岖地形十分困难且缓慢。 一种替代方法是将着陆器/漫游车送往高点，例如山脉或陨石坑边缘。 它拾取一块质量合适的岩石，并使用离心臂以极快的速度将岩石抛向选定的目标。 然后，它用望远镜和光谱仪观察撞击，以确定目标的成分，并可能使用其他仪器获取更多数据。 根据需要重复此过程，以针对其他目标进行勘探。 这使得无需遍历整个区域即可对大面积进行勘探。 在“深撞击”号和“月球陨坑观测和感测卫星”任务中使用了动能方法。
- 地面探测仪器
**地震仪**对地面的运动非常敏感。 自然或人工的撞击或运动会在地体内部产生地震波。 地震波到达地震仪的时间可以确定地体的内部结构和性质。 插入地下的 **热探针** 可以测量来自内部的总热流和流向内部的热流，以及热导率。 **重力仪** 精确测量当地的重力加速度，由此可以计算出周围地面的密度。
- 地下勘探
在 **岩心取样** 中，将一根空心钻头钻入地下，以分离出一段几乎未受干扰的物质圆柱体。 岩心样本被取出并在地面上进行检查。 **钻探** 使用更大的机器，可以到达深达数公里的深度。 钻屑可以冲刷到地面并在地面上进行检查，或者仪器可以紧随钻头下方或之后被放下。