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贝索斯接手《苍穹浩瀚》背后，万亿太空采矿市场凸显“廉价航天”的迫切需求

百家作者：DeepTech深科技 2018-06-29 05:08:26

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上个月，美国有线电视台 Syfy 宣布取消旗下科幻美剧《苍穹浩瀚》（The Expanse）第四季续订的消息一经发出，就引起了追剧粉丝的热烈讨论。不过，紧接着，亚马逊和蓝色起源创始人、亿万富翁杰夫·贝索斯就在国际太空发展大会（International Space Development Conference）上亲自宣布接盘该剧。

图丨《无垠的太空》剧照

《苍穹浩瀚》中的场景设定在 200 年后的未来：人类在月球和火星上建立了定居点，并开始在位于火星和木星之间的小行星带（Asteroid Belt）建立殖民地。人类对太空探索的渴望由来已久，而殖民小行星带则是近年来的一个新的关注点，最主要的原因是盯上了其上面埋藏的丰富矿藏。

目前，Deep Space Industries 公司准备向目标开采行星发射载人开采器，英国的 Asteroids Mining 公司则准备向富含白金矿藏的行星发射小型太空开采器。导演詹姆斯·卡梅隆担任顾问的 Planetary Resources 公司则准备向行星发射机器人探测器来探明稀有金属储量。而 NASA 则最为积极，预计最早将于 2022 年对一颗富含金属矿藏的小行星进行开采工作。

太空——最终选择

对于人类来讲，工业革命就像是一场巧合，它发生的时间并不长，却裹挟着科技的巨大力量以前所未有的方式改变了我们的生产生活方式。但随之而来的，不仅仅有环境的污染、生态的退化，更重要的是，我们发现自己正在以指数的速度消耗着地球上的珍贵资源，以美国为例，估计其在 2050 年的资源消耗量将比 2010 年多 3 倍。而一旦技术进步所依赖自然资源消耗殆尽，那一切的社会形态和文明都将难以为继，末日自会降临。

图丨伦敦奥运会开幕式上的工业革命场景再现

其实，当时间行进到 2018 年，我们已经不难发现，国际社会中的各个国家和企业对于资源和高新技术的争夺已经愈发白热化，不论是中美之间持续至今的半导体攻守战、苹果公司全球买钴亦或 Facebook 的泄密门所引发的全球民众对于个人数据资源的无比重视，每一个理性主体都逐渐深知这才是维持其竞争力的核心所在。

但是否这就意味着科技进步的瓶颈已至？其实不然，在循环利用和可持续发展等概念逐渐深入人心的当下，我们对于资源的利用也有了新的理解。可“节源”固然重要，但“开源”更值得重视。如果人类希望文明之火种不会熄灭，那么探索新的疆界、发现和开采新的资源就将成为问题的解决之道。

而随着地球资源的日益耗竭，人类继续寻求资源的唯一选择就是太空。

可我们发现，人类早在 1957 年就将第一颗人造地球卫星送上了太空，加加林也在 1961 年 4 月 12 日成为第一个“太空人”。但一个甲子过去了，我们依旧没能获取很方便的进入太空的能力，按照马斯克的话来说，就是进入太空的价格“太贵了”！

或许正是为了解决这一棘手的难题，同时实现自己幼时的梦想，他在 2002 年成立了 SpaceX，旨在降低人类进入太空的成本，加速太空商业化的到来。与他几乎同时起步的还有亚马逊的创始人——杰夫·贝索斯，他创办了自己的火箭公司蓝色起源（Blue Origin），目标瞄准太空旅游和太空移民。

十几年过去了，两家公司都还交出了不错的成绩单。SpaceX 经历了数轮融资，已经成长为估值超过 280 亿美元的超级独角兽，猎鹰火箭家族已经进化到了 block 5，重型猎鹰也已经首飞成功，无论是梅林（Merlin）还是猛禽 (Raptor) 都为世界火箭发动机篇章写上了浓墨重彩的一笔。恐怕接下来值得期待就是载人龙飞船遨游天际、Starlink 全球布网以及 BFR 搭载冒险者们直奔火星了。

图丨重型猎鹰升空

再看信仰“慢即是稳、稳即时快”和乌龟图腾的蓝色起源，虽然他们貌似没有做出“惊天动地”的事，却是以日拱一卒的稳扎稳打为一鸣惊人做足了准备。推力高达 250 吨级的 BE-4 甲烷发动机不仅 7 台并联就可以将 New Glenn 超级火箭送上太空，它的出现更是一解联合发射联盟（ULA）长期依靠俄罗斯 RD-180 过活的尴尬窘境。但相较之下更令人期待的则是明年就将开始运营的太空旅行，似乎星际已经触手可及。

可以说，这两家公司是全美国 1000 余家私营太空公司中最值得提及的代表，除此之外，像由行业领袖 Greg Wyler 领导的卫星互联网公司 OneWeb、试图再造航天飞机的内华达山脉、将旅馆开到太空的毕格罗宇航、3D 打印最便宜火箭的 Relativity Space 以及小火箭公司的代言人 Rocket Lab 等等，共同构成了美国壮丽的航天图景。

降价！降价才有想象力

人类进入太空究竟要有多贵？考虑到火箭发射是一个庞大的系统性工程，涉及到研发、生产、测试、发射等等诸多环节，而盈利基本都要仰赖发射服务所收取的费用，这就意味着我们所看到的报价并非仅仅是一个火箭箭体以及燃料的费用。

即便 SpaceX 的出现拉低了国际市场上的发射报价，但动辄千万甚至上亿美元的价格还是让人望而却步。以货物运输为例，也就只有 SpaceX 的发射价格降到了每公斤 1 万美元一下，一向以价格优势著称的中国航天也难以与马斯克展开竞争，像 ULA 这样的传统大户更是鲜见 1 亿美元以下的报价。就连人们常常会认为具有价格优势的 Rocket Lab 等小火箭厂商也是价格高企，甚至超过传统的中大型火箭发射。

虽然例如国内的商业航天公司如零壹空间喊出了“发射成本控制在每公斤 1 万美元左右”的口号；利用 3D 打印的发动机，Relativity Space 可以将发射成本降到每公斤 8000 美元；中国航天科技集团公司副总经理杨保华在第二届中国航天高峰论坛上也称，只要可重复使用火箭技术成熟，那么每公斤成本 1 万美元的发射费用完全可以降至 5000 美元左右。但不可否认的是，这一数字仍然距离人们心目中的可接受价格相距甚远，也就谈不上在此基础上开展大规模的太空开发活动了。

对此，创想天使基金创始合伙人、未来宇航研究院创始人牛旼有一个形象的比喻，“拿去月球来说，如果登月的成本高达上百亿美元，那么这个故事肯定就没有后文了，也就不会有人去做这件事。但如果这个成本可以降到 1 至 2 亿美元，那么就有了很多可以想象的空间。”

图丨创想天使基金创始合伙人、未来宇航研究院创始人牛旼

这里提到的“可以想象的空间”是什么？或许可以理解为在空间基础设施的基础上所衍生出来的一系列应用。正如 20 多年前西门子、爱立信等巨头是不会想象到若干年后互联网会以风卷残云之势终结了他们的霸主地位、iPhone 的横空出世将诺基亚拉下神坛一样，我们现在的人也很难想象一旦空间中以卫星为底层的基础设施得以建立，将会派生出多么丰富的应用及服务。

牛旼谈到，“商业航天发展其实跟互联网发展的逻辑、路径有高度相似性，完全是供给创造需求。其目前所处的发展阶段就像 20 年前的互联网产业处于发展初期，亟待产业上游的成本降低。”

以卫星产业为例，正是上游的卫星制造等成本难以降低，导致空间基础设施建设迟滞，制约了下游的卫星应用产业链的发展，类比到互联网行业，就像是没有智能手机的普及就不会有千万种应用程序的上线是一样的。

而这还仅仅是指卫星这一个产业，如果扩展到人类进入太空、经营太空等任务，我们就必须要求如火箭、空天飞机等载具的费用足够的低、运量足够的大、操作足够的简单。总之，就是要整个太空产业中的制造的成本要够低，而这个目标一旦达成，人类完全可以将地球上的一切生产生活活动复制到太空或者其他星球上，甚至我们还能创造出更多种形式的活动。

能源+资源，太空应有尽有

贝索斯曾说过，他想要将所有的工业都搬到太空中去。此话并非妄言，实际上太空环境有着许多地球上无法比拟的优势：

首先就是能源，在没有大气层太空中，太阳能要比地球表面充沛得多；
其次由于太空的微重力环境，在工业生产时可以节省下克服重力而消耗的能量；
小行星等天体上具有某些地球上稀缺的矿物资源以及大量的常规资源，行星开采将会是个极具潜力的新行业。

2015 年 11 月，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），明确表述了允许企业及个人在太空开采资源或矿产，为美国私人企业进一步发展太空工业扫清了法律障碍。

例如 Planetary Resources 公司和 Deep Space Industries 公司都已经成立多年，员工大多来自 NASA、MIT、波音、英特尔、JPL 等机构，并获得了谷歌和卢森堡政府的投资，就计划通过小型卫星实现小行星采矿。

小行星是围绕太阳运行的小天体，它们是太阳系行星形成时的孑遗，直径从几米到几百千米不等。大多数小行星位于火星和木星之间的小行星带上。这里有上百万颗小行星，其中直径大于 1 千米的有 75 万颗，直径大于 100 千米的有 200 多颗。小行星之间的距离从数百到数千公里不等。

除了小行星带之外，还有 Atens、Amors 和 Apollos 这三个近地小行星聚集的区域。这些区域包括 9000 颗左右的小行星，其中 1000 颗直径超过 1 千米。其中，有 1500 颗近地小行星被列为采矿作业的首选目标。

按照构成，小行星可以分为 C 型、S 型和 M 型。C 型碳质小行星最为常见，为灰色，由碳化合物、岩石、20% 的水和一些金属组成。S 型硅质小行星为绿色或红色，主要由铁和硅酸镁组成，有少量纯镍和纯铁，以及一些铂族元素。M 型金属小行星外表为红色，主要由纯镍和纯铁构成，有少量铂族元素。一颗直径 500 米的富铂小行星，稀有金属的含量相当于今天世界年稀有金属产出的 174 倍，地球铂族金属已知储量的 1.5 倍。

此外，C 型小行星中的水在太空中也非常重要，可以满足人类生存和生产火箭氧化剂的需求。即便是小行星上的石头，也是有价值的建筑材料，可以用来构建掩体，防止致命的宇宙辐射。据对一些陨石的估计，其包含的原材料价值上千亿美元。

开发小行星有多种方式。例如可以在大型小行星上建立防宇宙辐射的地下基地，而在小行星表面建立矿石处理和储存设施。

另一种建立长期基地的设想是：将无人飞船固定于小行星上采矿，这种方法被认为更适合体积不大的小行星。此外，无人飞船还可以用来在以岩石为主的小行星上定点精确开采高价值矿物。

还有一种设想是在大型小行星附近建立中转站。采到的粗矿石被送至中转站，精炼之后，送回地球。或者也可以直接用火箭把微型小行星推送到中转站附近。

无论采取以上哪种方式，都必须要解决以下几个问题：

降低成本：现有公司的解决之道是采用全新的层次化和模块化设计，即硬件上采用廉价的民用级产品、软件商快速迭代且系统相互独立；
远距离空间通信：针对这一难点，Planetary Resources 找到的解决方案就是使用激光通信；
动力装置和推进系统：Planetary Resources 的 Arkyd 探测器的推进系统直接与探测器一级结构集成在一起，方便了推进剂的存储与管控。而 Deep Space Industries 的 Comet-1™电热推力器使用太阳系中最丰富的资源——水作为推进剂，具有低功率、小型、大推力的优点。

虽然现在看起来小行星采矿依旧就像是天方夜谭，且目前并没有找到一个经济性的解决方案。但是考虑到未来对资源的迫切需求，小行星采矿恐将势在必行。

而除了矿产资源之外，太空中充沛的太阳能也为这一切活动的开展铺平了道路，人类可以利用建造空间太阳能电站的方式来对无尽的能源加以利用。

空间太阳能电站是利用在轨运行的卫星来吸收太阳能，并以无线传输的方式将能量传回地面。在此过程中，需要小心选择频率，以避免对地面动植物和设施的危害。

空间太阳能电站的发电功率不会受到云层、季节变换和大气透明度的影响。位于距地面 3 万 6 千公里的地球静止轨道，又可以让其在很大程度上避免夜晚的影响。因此，空间太阳能电站的发电潜力有望达到地面太阳能电站的 10 倍以上。

美国工程师 Peter Glaser 在 1973 年申请了“将太阳辐射转化为电能的方法和设备”（method and apparatus for converting solar radiation to electrical power）的专利。该专利设想了太阳能收集卫星以微波方式将能量传回地球，由地面站天线接收。

图丨Peter Glaser

美国、加拿大、欧盟、日本、中国和印度都在该领域开展了许多工作。1970 年，NASA 和美国能源部拨款 2 千万美元开展研究。1995-1997 年，NASA 再度开展名为“Fresh Looks”的研究计划。2007 年，美国国家空间安全办公室发布了相关报告。2009 年，太平洋电气（Pacific Gas and Electric）和日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）联合开展前瞻性计划。2010 年，欧洲宇航防务集团下属的 Astrium 子公司开始寻求示范性空间任务的合作伙伴。2011 年，国际宇航科学院（IAA）发布关于空间太阳能的详细评估报告。2014 年 4 月，JAXA 发布通过空间太阳能电站为东京供能的 2030 远景计划。

根据 2011 年国际宇航科学院报告，在未来几十年内完成大规模空间电站的建设“不存在基础技术的障碍”，在多个备选方案中，该报告认为以下 3 种方案最有潜力：

第 1 种方案：1979 年美国 NASA 和能源部提出。1 个或以上的巨大光伏阵列链接于 1 个微波发射系统上。该结构需要大型 3 轴稳定平台，保持其光伏面板指向太阳，下行微波波束指向地面接收站。

第 2 种方案：与方案 1 的区别主要在于，能量通过激光而不是微波发送回地球。该方案的优点在于，可以采用多个激光发射器实现能量下传，而方案 1 必须依赖单个微波发射系统。

第 3 种方案：该方案基于对称光学原理设计的反射镜，而非大面积光伏面板。大量小镜面组成的大型反射镜将阳光聚焦到有限面积的光伏面板上，而下行能量依然通过单一微波链路传输。该方案的能量管理较方案 1 和 2 更为简单，因为光伏面板的面积较小。此外，该系统的建造难度也是最低的。

虽然很多雄心勃勃的方案都进展缓慢，但一些小企业，如 SpaceEnergy 和 Powersat 仍在充当开拓者的角色。此外，JAXA 也还保持着较高的热情。太阳能电站所需的光伏面板技术和微波-激光能量传输技术都是经过验证的成熟技术。因此，几十年内，空间太阳能电站的愿景有望成为现实。

NO MARS，我们先来聊聊月球

去年 12 月 11 日，美国总统特朗普在正式签署了“第 1 号航天政策指令”（SPD-1），其目的就是要带领美国重返月球。今年 5 月 24 日，特朗普又签发了“第 2 号航天政策指令”（SPD-2），进一步落实国家太空委员会今年早些时候提出的支持商业航天发展的一系列监管改革措施。

图丨特朗普签署“第 1 号航天政策指令”（SPD-1）

其实，自从 1972 年阿波罗计划停止后，人类很长一段时间都没有过问过这个离我们最近的星球。直到最近几年，俄罗斯、中国和美国都提出了建立月球基地的计划。2013 年 12 月，嫦娥 3 号成功着陆月球。2014 年 4 月，俄罗斯重申“定居月球是不可动摇的目标”。2014 年 1 月，NASA 发布“月球货运和软着陆”项目，帮助私营企业发展地月交通系统。去年，美国更是重新建立了国家太空委员会，同时美国副总统迈克·彭斯还在 10 月 6 日宣布了美国重启登月计划。

NASA 还准备俄罗斯取得合作，2024 年前后在月球轨道上建成“深空之门”（Deep Space Gateway）基地，作为通往月球表面和深空目的地的门户。宇航员可以依托“深空之门”对月球进行为期 20 天至 46 天的考察，“深空之门”还可以升降到不同月球轨道上运行。

图丨Deep Space Gateway

不仅如此，包括 Moon Express 和 SpaceIL 在内的私营公司也对月球兴趣浓厚，毕格罗宇航公司的充气式空间站就已经出现了月球基地版本。谷歌于 2007 年 9 月设立 Lunar X Prize，将对第一个在 2015 年 12 月 31 日之前把无人月球车送上月球，行使 500 米，并将 2 个返回载荷送回地球的私营企业，奖励 3 千万美元，33 个团队报名参与该奖项的角逐。虽然最后无人达成目标，但可见大家对此的热情。

为什么月球近来会如此大受追捧？除了其可以担当人类奔火的中转站之外，其上所蕴含的丰富的资源也成了各国对这颗距离人类最近的星球争夺的理由。

月球被认为有丰富的钴、铁、金、钯、铂、钛、钨和铀矿藏。2009 年，NASA 发现月球上有丰富的水，可以支持人类长期居住。当然，还有人类未来的核聚变理想燃料：氦 3。

目前，人类利用原子能发电的唯一手段是裂变核电，这会产生大量放射性废物。未来的聚变核电不会产生任何放射性废物——聚变堆利用氦 3 和氘进行聚变反应的产物只有氦和中子。

氦 3 在地球上几乎没有。然而，几十亿年来，月球的土壤不断接受来自太阳的氦 3，并将其保存下来。据估计，厚度为 1 米的月面表层土壤，包含的氦 3 超过 110 万吨，而 100 吨氦 3 就可以满足整个地球 1 年的能量需求。因此，氦 3 的价值达到每吨数十亿美元，即使以今天的航天技术，开采氦 3 也是经济上有利可图的买卖。甚至未来人类直接在月球建造聚变电站或者太阳能电站，然后用微波或激光将能量直接送回地球。

月球表面采集氦 3 和其他矿物需要有必要的基础设施，这些设施可以由月球材料建造，并由太阳能提供能源。欧空局资助的一项实验旨在通过 3D 打印，用月球材料建造房屋，以屏蔽致命的宇宙射线。估计下一个十年，人类对月球的开发将进入到一个高潮。

我们该在太空中留下怎样的足迹？

无可否认，进军太空是一项复杂、昂贵和高风险的事业。然而，如果不去努力实现这个目标，那么由于资源缺乏导致的人类社会崩溃就是不可避免的。

空间太阳能电站、小行星采矿和月球基地的建立，有望为人类的太空旅游业和火星定居奠定基础。人类进入太空是不可避免的宿命，而迈出第一步就显得尤为重要。

虽然在当前空间开发的过程中，美国又毫无疑问地走在了前列，无论是在人才、技术、资金等各个方面，我们都依旧有数十年的差距需要追赶。