8月13日消息，據(jù)美國宇航局網(wǎng)站報道，在過去的100年間，全球人口從15億爆炸性地增長到了今天超過70億，相應(yīng)的，人類對資源的需求也出現(xiàn)了爆炸性的增長。為了滿足這種增長的需求，除了要加強全社會的資源回收利用率之外，采礦業(yè)者們也必須前往一些前所未有的新疆域進行礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作，比如開發(fā)深海大洋海底的礦產(chǎn)資源等等。
而在未來，只要經(jīng)濟上和技術(shù)上的障礙被突破，小行星或許將會成為人類開發(fā)礦產(chǎn)資源的下一個目的地。小行星是金屬，巖石和塵埃的聚集體，有時候還含有一些冰和有機質(zhì)，它們是太陽系在45億年前形成初期遺留下來的產(chǎn)物。太陽系中有數(shù)以十萬計的小行星，大小迥異，從直徑數(shù)米到數(shù)百公里。體型較小的小行星數(shù)量要遠遠多于大型的小行星，但即便是一顆非常小的，僅相當(dāng)于一幢房子那么大的小行星也將價值數(shù)百萬美元。
不同種類的小行星
小行星有不同的種類，根據(jù)它們的光譜型，一般可以劃分為3個不同的群：其中表面較暗，富含碳質(zhì)的C型小行星擁有較高含量的水分，其中還含有一些含水的粘土礦物。盡管這類小行星在目前看來具有的經(jīng)濟價值有限，因為畢竟地球上的水資源還是異常豐富的。但是當(dāng)我們在未來決定向整個太陽系擴展人類的生存空間時，這些小行星就將顯得尤其重要。
美國亞利桑那大學(xué)圖森分校科學(xué)家，美國宇航局計劃中的小行星采樣返回項目“OSIRIS-Rex”首席科學(xué)家丹特·羅萊塔(Dante Lauretta)表示：“在太空時代，水將成為維持生命的關(guān)鍵因素，而要想將大量的水體送入太空將耗資巨大。”他說：“在目前的技術(shù)水平下，要將大約1磅(約合0.9斤)重的載荷送入太空，將需要花費數(shù)千美元。因此我們希望能依賴原本就存在于太空中的水體來削減成本。水的另一項重要功能是它可以被分解為氫氣和氧氣，而這將可以被用作火箭燃料，從而進一步支持開展小行星的太空探索項目。最后，C型小行星的一大特點就是很多都含有很多有機質(zhì)，包括很多有機碳，磷和其它可用作農(nóng)業(yè)施肥的原料。”
表面反照率稍微高一些，也因此稍稍顯得明亮一些的一類小行星主要由巖石組成。這就是S型小行星，這類小行星的水含量相對低一些，但就目前的眼光來看它們的經(jīng)濟價值則更高，因為這類小行星的成分中往往含有很大比例的金屬，主要是鐵，鎳和鈷。
不過，羅萊塔表示：“別忘了一些含量較低卻不能被忽視的金屬種類，這些金屬盡管含量比較少，但是其經(jīng)濟價值不容小視，其中包括金，鉑以及銠。”他說：“一顆小型的，直徑約10米的典型S型小行星含有650噸金屬，其中包括大約50公斤的稀有金屬，如鉑和金。”
根據(jù)羅萊塔的介紹，還有一類光譜型為M型(即金屬型)的小行星，其金屬含量還要比一般的S型小行星高出10倍以上。
OSIRIS-Rex探測器
不過先別高興的太早，因為就目前的技術(shù)水平而言，要想開展一次小行星開礦行動將會耗費數(shù)百萬億美元的巨額資金，是得不償失的。因此要想大幅度的削減成本，真正將這種想法變?yōu)楝F(xiàn)實，人們還將需要進一步的技術(shù)和思維創(chuàng)新。
另外一項橫在面前的障礙則是我們對小行星所含礦產(chǎn)的勘探和分析的手段和經(jīng)驗的匱乏。所幸這樣的經(jīng)驗正在逐漸累積的過程中——美國宇航局的“起源，光譜解譯，資源勘探，安全以及風(fēng)化層探測器”(OSIRIS-REx)探測器項目即將實施，該項目計劃發(fā)射一艘飛船前往一顆小行星并采集其樣品返回地面。
OSIRIS-Rex飛船按計劃將于2016年9月發(fā)射升空，將于2018年10月抵達小行星Bennu。在抵達目的地之后探測器將對這顆小行星開展詳細考察，隨后從其地表采集樣品并帶回地球。本次探測計劃的主旨是科學(xué)性的——小行星被普遍認為是太陽系早期遺留的產(chǎn)物，記錄著有關(guān)太陽系誕生和演化的重要信息，對其樣品進行的分析將有望幫助加深我們對行星形成和生命起源等重要問題的認識。除此之外探測器也將仔細測量太陽光對小行星Bennu的軌道造成的變化，這將幫助天文學(xué)家更好的了解太陽光壓對小行星軌道造成的影響，提升軌道預(yù)測精度，從而保護地球免遭小天體撞擊的風(fēng)險。
不過盡管本次探測計劃完全是出于科學(xué)目的，但羅萊塔認為，在項目實施期間取得的經(jīng)驗也將有助于未來小行星采礦計劃的實施，不管到時候具體是由美國宇航局還是由私營航天公司執(zhí)行這樣的開發(fā)項目。
在OSIRIS-Rex項目的取樣階段設(shè)計中，工程師們設(shè)置了三道保險——如果首次取樣嘗試失敗，項目組還將有另外兩次機會可以補救，至少可以采集60克的樣品，最多則可以采集2公斤。
先進的探測儀器
為了順利達成目標，這艘飛船上裝備了可以從軌道上探測小行星地表成分的儀器，這樣就可以讓地面控制小組有可能在進行首次取樣嘗試之前仔細挑選最理想的取樣地點。
要想分析了解小行星地表某一區(qū)域成分的最好辦法之一就是分析它反射的光。不同礦物成分會在光譜中顯示不同的吸收，反射或輻射特征。使用專門的儀器設(shè)備，科學(xué)家們將有能力從光譜信號中識別不同的地表礦物成分。
另外，物質(zhì)對光波的吸收和輻射所涵蓋的波段要遠遠超出我們?nèi)庋勰軌蛴X察的范圍，因此OSIRIS-Rex飛船上搭載了3臺不同的光譜儀，波段完整涵蓋了從X射線，可見光一直到紅外線的范圍。
OSIRIS-Rex飛船的可見光和紅外光光譜儀(OVIRS)顧名思義，工作波段位于可見光和近紅外波段。人類肉眼無法看到紅外線，但是我們可以以熱的形式感覺到它。這臺光譜儀將有能力探測到有機化合物成分，以及其它一部分礦物和化學(xué)成分。有機物中富含碳，科學(xué)家們對此特別敏感，因為這是組成生命所需的關(guān)鍵組成成分�？茖W(xué)組還打算讓飛船在某個富含有機物的區(qū)域嘗試進行取樣，從而得以開展有關(guān)早期太陽系有機化學(xué)方面的研究，從而幫助揭開地球生命的起源之謎。羅萊塔表示：“OVIRS將幫助我們確認小行星表面有機化合物的分布狀況，并據(jù)此引導(dǎo)取樣選址。”
而另一臺儀器：OSIRIS-Rex 熱輻射光譜儀(OTES)則更深地進入了紅外光的領(lǐng)域，它將有能力探查小行星Bennu地表的礦物種類并測量小行星的溫度分布。尤其是這臺儀器有能力識別粘土礦物的信號，這樣科學(xué)家們便可以據(jù)此繪制出小行星地表富水礦物的分布圖。在地球上，海灘的沙子在陽光暴曬下很快就會升溫，而當(dāng)太陽落山后則迅速冷，而相比之下，人行道在早晨陽光下升溫的速度就要慢得多，但是晚上太陽落山后冷卻的速度也要慢得多。同樣的，通過紅外波段測量小行星地表不同區(qū)域在白天和夜晚的升溫和降溫速度快慢，我們將可以了解其地表物質(zhì)組成的很多有用信息。
另外一臺攜帶的儀器是“風(fēng)化層X射線成像光譜儀”，這臺儀器將測量小行星的向陽面上在陽光照射下微弱的X射線閃光，用這種方法可以測量一些元素，如鐵，硅，硫和鎂等的豐度。
OVIRS 和OTES 兩臺儀器將會協(xié)同工作，確定太陽光對小行星Bennu的軌道產(chǎn)生的影響。這種效應(yīng)在天文上被稱作“雅科夫斯基效應(yīng)”，這是小行星的表面在吸收和輻射熱量時對小行星本身產(chǎn)生的微弱推動力。這種力雖然極其微弱，但在漫長的時間尺度下仍將會對小天體的軌道產(chǎn)生影響。
OVIRS設(shè)備將測量小行星Bennu地表的反照率。由于照射到小行星地表的陽光只有兩種結(jié)果，要么被反射，要么就是被吸收。因此這樣的測量數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家們計算有多少陽光被小行星表面吸收并用于隨后的熱輻射過程。與此同時，OTES設(shè)備則將測量小行星的全球溫度分布圖，查看哪個區(qū)域的熱輻射量最大，這將給出雅可夫斯基效應(yīng)對小行星本體產(chǎn)生推進力的方向。
不過，通過這些光譜學(xué)方法探測到的小行星地表礦物化學(xué)成分分布有一個嚴重的局限性，那就是它無法了解更深層次上的物質(zhì)組成，其探測的地表深度僅有大約1.5毫米左右。而小行星的物質(zhì)組成很有可能存在垂直方向上的變化，因此飛船相應(yīng)設(shè)計了能獲取一定深度上樣品的采樣機制：向小行星地表噴射氮氣揚起地表物質(zhì)，迫使其進入飛船的樣品采集艙。
羅萊塔表示：“采用這種方法，我們將可以采集到地表之下5~6厘米深的物質(zhì)樣品。”盡管這一深度聽上去仍然很淺，但這已經(jīng)比光譜方法獲得的數(shù)據(jù)在垂向深度上提升了大約200倍。
羅萊塔說：“另外，盡管光譜學(xué)專家會告訴我們說他們知道那些成分是什么了，但是最后我們?nèi)匀恍枰嶋H取樣驗證這些結(jié)果。我們將會將樣品取回來送入實驗室進行分析，然后看看光譜學(xué)家們得到的結(jié)果究竟有多靠譜。”
探測器攜帶的其它設(shè)備也將幫助進一步修正通過光譜方法取得的礦物分布圖。根據(jù)OVIRS數(shù)據(jù)制作的化學(xué)分布圖上最小的分辨率大約將會是20米左右，而OTES礦物學(xué)數(shù)據(jù)的分辨率為40米左右。而探測器搭載的彩色相機則可以獲得比這高得多的圖像分辨率，精度優(yōu)于1米，因此在礦物和化學(xué)分布圖中不同區(qū)域的顏色不同極可能就表示這兩處區(qū)域的成分之間存在差異。
和雷達相似，激光高度計會發(fā)射激光束并接收其從目標地表反射回的信號，這樣便可以建立起地表的高程圖像。與此同時測量地表對激光的反射亮度也將幫助判斷其地表組成的物質(zhì)成分，比如特別明亮的地表就很有可能是金屬含量較高的點。
奠定基礎(chǔ)
盡管此次探測任務(wù)是一次純粹的科學(xué)考察任務(wù)，但是其中所用到的設(shè)備和技術(shù)都將為未來實際開展小行星采礦項目奠定基礎(chǔ)。
羅萊塔表示：“本次任務(wù)將是一次技術(shù)驗證，那就是——我們是否有能力將一艘飛船送往一顆小行星，在那里采集樣品并送回地球？”他說：“接下來，人們就要考慮經(jīng)濟上的可行性。”
他說：“未來你可能會希望增添到飛船設(shè)備庫中的可能就是快速進行化學(xué)分析的設(shè)備，這樣你便可以迅速判斷某處的礦物含量。目前我們還沒有辦法承擔(dān)將這種設(shè)備安裝到飛船上的花費。那么除此之外，我們現(xiàn)在飛船上所搭載的便已經(jīng)是任何一個想要策劃一次小行星飛行任務(wù)的人所需要的全套設(shè)備了。”
OSIRIS-Rex項目由美國亞利桑那大學(xué)領(lǐng)銜。美國宇航局戈達德空間飛行中心提供任務(wù)的整體管理，系統(tǒng)工程，安全以及保障工作。洛克希德·馬丁公司空間系統(tǒng)分公司負責(zé)飛船本體的建造工作。OSIRIS-Rex是美國宇航局新地平線計劃旗下第三個得到實施的項目。
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