第 3.4 节 - 资源开采

本节讨论如何从自然状态下提取资源。对于物质和能量，这些通常被称为采矿和能源生产，但后者是错误的名称。能量不能创造，只能从现有来源转换，因此我们更喜欢使用 **提取** 一词。

采矿

采矿是提取（或者在分散材料的情况下，收集）物理材料以直接使用或进一步加工的过程。**矿床** 或 **矿石** 是自然发生的材料，其尺寸或浓度足以经济地开采。采矿技术将根据您开采的内容和开采地点而有所不同。因此，本节按物理状态和开采的自然天体类型组织方法。某些加工可能在采矿现场进行，以浓缩矿石或将其准备运输。浓缩称为 **选矿**，还有许多其他可以应用的工艺，例如破碎和烧结。

挑战

宇宙中大部分的重子物质很不方便地位于大型天体内部，很难到达。事实上，球体是许多大型物体近似的形状，在给定体积下具有最小的表面积。换句话说，内部相对难以获得的物质与表面易于获得的物质的比例最大。另一个问题是有用的金属，例如铁，由于它们的密度，往往会聚集在大型天体的中心，在那里由于周围的岩石层而无法获得。除了物理不可接近性之外，许多物质处于等离子体状态（例如恒星）或非常低的密度（例如分子云）。因此，采矿的挑战在于获得目前可以获得的少量物质，并开发技术来扩大此类物质的范围。

即使是地球上的传统采矿也仅仅是 “刮擦表面”。所谓的深层开采和钻探通常只到达地球半径的顶端 0.1%。这限制了我们获取稀有材料的能力，或者限制了未来大型项目所需的大量常见材料的能力。太空采矿是扩大可获得材料范围的一种方法，因为它是一个新的可获得区域，其历史和成分与地球不同，但它应被视为未来采矿总挑战的一部分。

固体天体开采

按重力级开采

我们可以按尺寸将固体天体分成几组。小型天体是指典型的采矿设备的力和速度大于局部重力。因此，需要设备锚定以防止其自行移动，或者需要特殊的设计以防止砾石和灰尘传播很远，甚至完全离开天体。根据地球建筑设备的推断，局部重力低于 2 m/s² (0.2 g) 将需要较低的设备力和锚定。爆破是最具能量的采矿作业。从爆破安全规范中，我们估计重力低于 0.3 m/s² (0.03 g) 将需要距弹片和碎片超过 1 公里的安全距离，这变得不合理。该值可能需要根据实际经验进行更新。现在，我们将天体按 0.3 和 2 米/秒² 的重力分为低、中、高重力，以用于采矿目的。对于最小的物体，您不会像从较大的天体中移除物质那样开采它们，而是将它们捕获并运输到处理地点（如果需要）。

低重力开采

中重力开采

高重力开采

按深度开采

我们还可以按深度划分采矿技术。这些是地表、地下或地下以及深层开采。地下是指任何露天坑或休止角不足的地方，需要支柱或墙壁支撑。支撑可以是留在地下的天然材料的一部分，也可以是作为矿山开发的一部分安装的人工支撑。深层开采是指当来自上方的自然材料的重力载荷开始导致位移或坍塌时。这需要完全封闭的隧道或管道或其他特殊技术。周围材料的强度将决定何时达到深层条件，这将因地而异。作为参考，对于岩石地区，深层可以被认为超过 15 公里 /（局部重力加速度，单位为米/秒²）。重力随着您移动到天体中心而下降，因此除了少数最大的小行星之外，整个内部可能由于重力载荷不足而不会达到深层条件。相反，在月球等更大的天体上，由于更高的重力和更大的半径，您可以在半径的 0.5% 内达到深层条件。

露天开采

地下开采

深层开采

我们将以深层开采为例，开采第二大质量小行星灶神星的内核，以获取铁。灶神星在其早期形成过程中因放射性衰变而融化，并形成了一个铁核和岩石地幔。它具有以下特性

• 极半径 = 229 公里 表面，106 公里 内核
• 赤道半径 = 305 公里 最高点，114 公里 内核
• 重力 = 0.329 极地，0.1532 赤道最高点，以及 0.257 内核，单位为米/秒²。赤道重力低得多是由于更大的半径和快速自转（5.34 小时的自转周期）。
• 地幔密度 = 3115 千克/米³

作为近似值，我们取从地表到内核的极地和赤道平均加速度乘以距离。这相当于 123,000 米 x 0.293 和 191,000 米 x 0.205。极地值略低，因此我们从极地向下挖掘。一列高度、密度和加速度都相同的岩石地幔在底部承受的压力为 112.26 兆帕 (16,300 磅/平方英寸)。这高于岩石的可能强度，因此无支撑的孔洞很可能发生故障，我们确实处于深层开采条件下。因此，孔洞将需要衬里，例如从其他地方获得的钢，至少对于较深的部分需要。内核本身，主要由铁组成，将自行支撑，直到过多的内核被提取出来并发生内核坍塌。大约一半的内核可以安全地提取，总计 2330 万吉吨，或按目前的开采速度计算约 1500 万年的地球产量。

拆解

即使是深层开采技术，在某些时候也会变得不切实际。许多天体内部有热核或液态层，即使没有这些问题，压力也会要求隧道或管道壁太厚，不值得安装。到达这些极深资源的唯一方法是首先移除所有上覆的物质，这相当于拆卸天体或其大部分。

由于天体的重力，将一个大的物体结合在一起的能量称为引力结合能 - 。对于一个均匀的球体，它由以下公式得出

$U={\frac {3GM^{2}}{5r}}$

其中 G 是万有引力常数，M 是球体的质量，r 是它的半径。因此，要从该物体中提取所有物质，至少需要以 100% 的效率输入此能量。这假设您没有进行任何处理，只是物理上移除了所有物质。例如，对于地球，考虑到实际的质量分布和深度密度，U = 2.487 · 10³² J。

拆卸时间 - 这是一个特征时间，它是通过将结合能 U 除以落在物体上的太阳能通量得到的。还有其他能量来源可供使用，但阳光通常在太空中可用，因此它为使用落在物体上的太阳能以 100% 效率拆卸该物体的时间提供了一个自然值。从特征值，您可以通过将特征值乘以您打算提取的物体的比例，并除以太阳能转换效率，来估算大型采矿项目的实际时间。地球的太阳能通量平均为 1360 W/m^2，半径为 6378000 米，因此总通量为 1.74 · 10¹⁷ J/s。这给出了一个特征拆卸时间为 4530 万年。

采矿大气

对于具有明显表面压力和明确的固体或液体表面的天体，大气的大规模开采相对简单。主要要求是泵和储罐。如果需要分离特定的成分，则会变得更加复杂，需要液化或冷冻来分离不同的化合物。对于低压大气，选择性电离或质谱法等方法可以用于分离特定的成分。对于没有明确表面的天体，或者在您不想着陆的情况下，可以使用轨道铲斗采矿法。

铲斗采矿

铲斗采矿船概念

该方法涉及掠过一个物体的上层大气以收集气体，然后将收集到的质量的一部分作为推进剂喷射出来，以弥补阻力。收集气体的海拔高度是根据铲斗的阻力和加热水平以及可用推力选择的。铲斗的形状是反向喷嘴，将高速、低压气流转换为低速（相对于铲斗）的高压气体。收集到的气体被泵入储罐。由于具有大气的物体的收集速度通常高于化学火箭排气速度，因此为了弥补阻力而喷射的部分将需要以电推进器速度（30-50 km/s）进行。为了保持轨道，平均推力必须等于平均阻力。铲斗速度/排气速度的比率决定了需要使用多少比例的收集气体用于推力。该概念理论上适用于任何排气速度明显高于轨道速度的天体。

间歇运行 - 以从轨道上开采地球大气为例。在 150 公里的高度，密度为 3 x 10^-9 kg/m³。相对于赤道的速度为 7800 m/s 的飞行器（比该高度的圆形轨道速度高 450 m/s）将遇到每平方米每秒 23.4 微克的空气，并看到 0.18 N/m² 的阻力。如果铲斗完全将气流停止，则停滞压力为 1350 Pa（0.2 psi）。真空泵将该气体以更高的压力抽入储罐。假设铲斗系统的质量为 100 kg/m²。因此，它将在 220,000 秒（2.6 天）内损失 400 m/s 的速度。轨道是椭圆形的，因此收集气体只会在最低点处于全压状态，实际上需要大约 4 倍的时间。铲斗将在这段时间内收集到每平方米 5.2 公斤的空气。在阻力过大之前，铲斗使用电推进器将近地点提高 50 公里，以停止收集。这需要 15 m/s 的速度。将远地点再提高 400 m/s，然后将近地点降低 50 公里以开始收集循环，总共需要 465 m/s 的速度。在 50 km/s 的排气速度下，执行速度变化将消耗 0.98 公斤的推进剂，我们假设这是收集到的空气的一部分。这使我们获得了 4.2 公斤的净收集量。

连续运行 - 作为第二个例子，假设一种 VASIMR 型推进器，它使用 200 千瓦功率产生 5.7 牛顿的推力。太阳能电池板需要大约 13 x 42 米的大小，分成 4 个更小的 13x10.5 米的电池板，每个电池板都跟随太阳。它们沿轨道方向纵向排列，推进器位于后部。假设推进器在采矿时不超过 30% 的时间工作，以留出最终提高轨道的余量。因此，平均阻力可以是 1.7 牛顿。假设在前方有一个 13x10.5 米的铲斗，它与太阳能电池板的尺寸相匹配，因此面积为 136.5 平方米。然后大气密度必须为 2.3 x 10^-10 kg/m³，这发生在 200 公里的高度。铲斗将收集 0.23 克/秒，推进器将消耗 0.034 克/秒，留下 0.196 克/秒（16.9 公斤/天）的净收集量。最终，无论您使用什么储罐都已满，采矿船会增加推力并爬升到一个轨道，在那里它不会看到明显的阻力。如果储罐容纳 5 吨空气，采矿船可以在 300 天内收集到这些空气。然后问题是采矿船的质量，以确定质量返回比率。

设计概念 - 示意图展示了铲斗采矿船的总体概念。铲斗的形状为双曲线锥体，其功能类似于涡轮分子泵，通过使传入的分子从其表面反弹来工作。一旦密度足够高，空气开始表现得像流体而不是单个原子，就会在窄端形成停滞区，传统的真空泵可以从那里收集。太阳能电池板安装在铲斗的后面，以避免增加阻力，并且在飞行器绕轨道运行时旋转以跟随太阳。在后部是储罐和由电池板供电的电推进器。作为安全措施，飞行器应携带传统的推进器和燃料，以便在主电推进器发生故障时提高轨道。

拖网捕鱼 - 拖网捕鱼是指捕鱼方面的拖网捕鱼，而不是指令人讨厌的互联网人物。在这个版本中，电推进器和主太阳能电池板位于更高的海拔，因此它们的尺寸和功率不受阻力限制。铲斗、泵、用于为泵供电的小型太阳能电池板和储罐通过缆绳被降低到最佳高度以收集空气。如果与上面的连续运行版本大小相同，并且空载质量为 1 吨，那么它至少需要在质心下方 1 公里，以便重力梯度（潮汐或差分重力）大于阻力。然后它将以平衡重力和阻力的倾斜角度悬挂。为了获得足够的压差以降低铲斗，缆绳将远大于 1 公里。当储罐满时，缆绳被收回，储罐被卸载或更换。这节省了用于上下攀爬铲斗高度的推进剂，并允许更强大的推进器。它是否总体上具有优势，需要更详细的研究。

波音公司的 R.H. Reichel 在 1960 年代初研究了地面空气铲斗。这项工作研究了铲斗在连续流（110 公里高度）和自由分子流环境（160 公里高度）中的运行。还检查了液化所需的功率以及散热器面积要求。著名的迈克尔·米诺维奇也详细研究了地面空气铲斗。他于 1988 年获得的“自供给空间推进系统”专利涉及一个铲斗，该铲斗将在工作流体环境中运行，并在 50 到 100 公里的高度之间运行。欧洲航天局的 GOCE 卫星在约 255 公里的高度的热层运行，从 2009 年 3 月到 2013 年 11 月飞行。GOCE 使用离子推进系统来抵消阻力，并使用襟翼来保持稳定。

参考文献

• Reichel, R. H.; Smith, T. L.; Hanford, D. R. “空气吸入式电推进系统的潜力”，在美国宇航学会电推进大会上发表，美国加州伯克利，1962 年 3 月 14 日至 16 日
• Minovitch, M. A. 自供给空间推进系统及其操作方法。专利号 4,754,601。1988 年 7 月 5 日。印刷版。
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采矿液体

一些天体，地球就是一个著名的例子，具有表面液体，而另一些天体则已知或怀疑具有地下液体。大量收集表面液体再次是一件简单的事情，需要一台泵和一个储罐。如果液体是化合物的混合物，并且需要特定的成分，那么需要应用物理或化学过程来分离所需的成分。

钻入像木卫二这样的拥有地下海洋的天体可能很困难，但进行地震测量就不一定了。在木卫二表面放置一个或多个地震探测器，然后用力敲击它，比如使用发射探测器的上面级，观察产生的振动。这就是我们了解地球内部以及探测地下资源的方式。像冰/水这样的边界往往会反射振动波（即声音）。

木卫二可能会发生自然的振动，来自其自身的弯曲和运动（木卫二地震），但你无法确定这些振动，因此最好拥有自己的高速度撞击产生的振动源。

开采气态巨行星

气态巨行星没有固体表面。在特定的深度，它们的大气逐渐变成超临界流体，而不是一个明显的层，因此需要不同的开采技术，特别是如果你想获取更深层的物质。前面描述了掠夺式开采，用于从上层大气中提取资源。浮力开采设备是可行的，但很困难。气态巨行星大气通常主要由氢气和氦气组成，因此很难设计平均比这两种最轻元素还轻的设备。由于大气层厚度和重力井深度，到达轨道也很困难。为了获取更深层的物质，需要采用大规模且相当极端的方法，例如自旋加速、汽化和破坏。对于有人居住的恒星系统，不建议使用最后一种方法。

自旋加速

如果掠夺式开采的量不足，而浮力开采过于困难，这种方法会增加气态巨行星通常较快的自转速率，直到赤道接近轨道速度。这使得从赤道将物质移到轨道变得更容易。有多种技术可以提高自转速率。

• 气动减速动量传递： - 一辆飞船在绕气态巨行星轨道运行时加速，然后通过在上层大气中减速来释放多余的速度，从而向行星传递动量。
• 动能沉积： - 高速物体被引导至气态巨行星的赤道区域，使平均自转速率增加。根据撞击速度，撞击体可能会被行星吸收，或者物质可能会被踢出作为喷射物。
• 潮汐耦合： - 故意将一颗或多颗亚同步卫星放置在低轨道上，以引发潮汐，从而加速气态巨行星的自转。这种方法非常缓慢。
• 磁性耦合： - 如果气态巨行星有磁场，可以与该磁场发生反应来加速核心自转，最终加速整个行星的自转。
• 反作用发动机： - 一个大型高速聚变发动机，由气态巨行星大气中的氢气提供动力，安装在上层大气中，并通过大气阻力加速自身，最终增加行星的自转。为了实现这一功能，排气羽流需要能够离开行星。

汽化

这种方法涉及逆转行星最初形成的方式。行星形成于气体云的坍缩，因为气体云会辐射掉能量。太阳系中最大的气态巨行星木星，显然在今天仍然在辐射掉多余的热量，这已经持续了 50 亿年。如果将过量的太阳能指向一颗气态巨行星，它会升温并逆转这一过程。假设外层比内部升温更快，这会导致大气膨胀到轨道速度和逃逸速度较低的区域。

机械破坏

这是一种蛮力方法。一种方法是用高速将一个大型物体引导至行星。另一种方法是收集氢气、氘或氦-3，并用它们制造一个非常大的热核装置。最终结果是将大量物质抛入行星轨道或完全破坏行星。很难让物质只进入轨道而不完全逃逸，这就是为什么不建议在已有居住的系统中使用这种方法。

开采颗粒

恒星系统和星际区域包含低密度分布的小型物体、粒子以及气体。这些包括

• 直径小于 6 米，质量小于 200 吨的小行星岩石，对于这种岩石来说，收集比开采更合适。
• 较小的粒子，例如产生黄道光的那些粒子，来自小行星和彗星碎片，尺寸范围小至 10 微米。
• 来自恒星的被称为恒星风的粒子流。
• 星际介质，由非常低密度的气体和尘埃颗粒组成。
• 密度高于一般星际介质的星际气体云和星云，但按照普通标准来说仍然是低密度。

开采这些类型材料的挑战是它们的低密度，迫使收集大量物质才能收集到足够的量。

开采恒星

如果一个文明的物质需求足够大，它可能会考虑开采恒星本身，因为恒星包含了恒星系统中大部分的质量。恒星的温度是进行这项工作的明显困难。以下方法目前还处于推测阶段。

人造红巨星

M 型恒星的表面温度低于最难熔化化合物的熔点，因此可以直接开采。如果你用反射镜包围一颗恒星，使大部分能量被困住，恒星的外层会升温并膨胀，形成一个人造红巨星。当膨胀到足够大时，你可以掠夺物质并将其带到其他地方使用。

等离子体喷流

人造磁场可以用来从恒星产生耀斑或喷流。当物质到达足够远的地方时，就会被收集起来并使用。

恒星潜水器

一颗足够大的行星被放置在高度椭圆的轨道上，该轨道与一颗冷恒星相切。行星将在掠过过程中通过重力收集大气。在其轨道的外侧，它会冷却下来并可以被开采，然后该过程重复进行。行星所需的尺寸必须足够大，以便在近距离掠过过程中不会因蒸发而损失质量。

能量

在恒星附近的环境中存在着大量的能量来源。它们按可用功率和提取难易程度的顺序排列如下。在恒星之间的黑暗区域中，重要的来源较少，但我们将考虑可用的资源。

太阳/恒星能量

光伏能源

光伏转换一直是太空中最常用的能量提取方式。这是由于其简单性、可扩展性、质量、可用性和耐用性。光伏电池直接产生电力，无需额外的转换或设备。它们通常以每瓦为单位，可以通过简单地使用更多电池来扩展。它们每产生功率的质量相当低，而且不消耗燃料。除了大型天体的阴影区域外，它们可以全天候产生电力，并且在高辐射环境以外的操作寿命可达数十年。

用于太空的电池与在地球上使用的电池工作原理相同。但运行条件不同，因此它们有一些修改。阳光不会被大气过滤，因此它们使用不同的光谱。必须考虑到温度范围、真空条件以及更高的紫外线和其他类型的辐射。如果需要更高的功率级别，并且从地球发射，则需要将多个电池的电池板折叠起来发射，然后展开。航天器的指向需求通常与太阳的方向不同，因此电池板必须可以灵活调整以跟随太阳。如果在大型天体的阴影中使用，则需要某种形式的电池或其他设备存储，或者必须暂时关闭电源。

轨道能量

轨道天体的势能和动能是潜在的能量来源。