两位中国年轻科学家 决定去太空挖矿
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两位中国年轻科学家 决定去太空挖矿

2021年10月27日 08:37:41
来源:虎嗅网

两位中国年轻科学家 决定去太空挖矿

作者| 宇多田

2020年的全球火星大会(Mars Society Convention),人们几乎只记住了马斯克洋洋洒洒一小时讲话里,关于“2024年把一艘货型飞船送到火星上”的计划。

实际上,包括NASA前局长吉姆·布里登斯汀在内,有150多位航空航天行业专家与爱好者,跟马斯克一起,有理有据地脑洞了“如何殖民火星”的人类迁徙目标。

不过,这群你既可以称为“梦想家”,也可以看作“空想家”的人里,东方面孔很少。在一个由4位华人组成的讨论圆桌上,克莱门森大学天体物理学博士、数据科学家喻天弘,又是其中唯一一个来自民营航天企业的代表。

2020年火星行业大会线上中国小圆桌,左上为喻天弘博士

2020年火星行业大会线上中国小圆桌,左上为喻天弘博士

他的观点并不复杂。

简单来说,他描绘的是一门“在矿区向淘金者卖水”的周边生意——把人类从地球运往火星的最大阻力之一,是难以想象的运输成本。由于星际飞船引擎需要持续不断的供能,只有依靠中途“加油站”的补给,才能完成这长达几亿公里的旅行。

虽然喻天弘认同吉姆所说的“在长途中,利用月球的水资源,将其转化为液氢液氧燃料”是个不错的主意。但他指出,相比月球引力,近地轨道几万颗小行星们才更有利可图——

引力几乎可以忽略不计,很容易被“抬”起或“摘”下,就像太空里低垂的果实。

另外,有据可查的是,这些行星上也有丰富的水资源与矿物质,因此显然是更好的选择。

另外,有据可查的是,这些行星上也有丰富的水资源与矿物质,因此显然是更好的选择。

“水在地球上是便宜的,但在太空中却格外昂贵,相当于‘太空货币’。3000美元一杯水并不是耸人听闻。无论是空间站宇航员的饮用水,还是电解发动机燃料的水,现在所有方式都是从地面火箭运上去。”

哈佛大学天体物理学博士、麻省理工Einstein Fellow、中国高能天体物理学家苏萌告诉我们,目前各国每公斤高昂的火箭发射定价(中国大约在15万人民币/公斤),也与此相关。

有意思的是,也就是在2021年2月,美国NASA宣布将运到太空站的每公斤货物商业发射费用从3000美元提升到2万美元。

对于从学界走出,开始探索太空商业价值的苏萌与喻天弘来说,这是一个有用的线索指引

帮飞船以及空间站,去寻找这些小到难以察觉的小行星,在上面“掘井取水”,甚至不排除在未来开采矿产——譬如挖掘更多像铂金这样的贵重金属,把它们在太空“加工”后带回地球。

高能天体物理学家苏萌博士

高能天体物理学家苏萌博士

2014年,美国NASA发射猎户座载人飞船试飞成功,以及随后一大批所谓“太空资源开采”与卫星公司的建立后,就把这股略显虚幻但却大胆的太空梦吹到了中国,因而诞生了一系列商业航天企业。

某种程度上,二人在2017年成立中国创业公司Origin Space(起源太空),受到了以SpaceX为先驱的全球航天产业商业化大趋势和“太空挖矿热”的鼓舞。

然而,就在过去6年里,这个“伟大的梦”在国外被照进现实的路径,却破碎的有理有据

骨感现实:第一集故事已落幕

说实话,如果不是这家名为Origin Space(起源太空)的公司创始人苏萌教授与喻天鸿教授的学术与工程背景,我们可能会立刻把其归为“最具有出版科幻小说潜质的骗子公司”。

首先,小行星采矿的概念已经存在了很长时间。

1971年,NASA就开始发起关于太空采矿的研究。2005年11月,日本发射的隼鸟号航天器据说降落在了小行星上,并在收集1000克小行星颗粒状物质样本后,于2010年6月返回地球。

于是,从那时候开始,“走,去太空挖矿,为地球造福!”的商业营销机器便开始缓慢运转起来。

大量关于太空挖矿的创业公司冒了出来。譬如,最有名的,便是成立于2009年的太空资源探索公司Planetary Resources。

在它的投资人名单上,谷歌联合创始人拉里·佩奇与维珍集团创始人理查德·布兰森排在最前面。

在2016年就颁布太空资源法,非常支持太空开发的欧洲小国卢森堡赠予Planetary Resources大约1300万欧元(左边二位为卢森堡王储,右一为Planetary Resources首席执行官Chris Lewicki

在2016年就颁布太空资源法,非常支持太空开发的欧洲小国卢森堡赠予Planetary Resources大约1300万欧元(左边二位为卢森堡王储,右一为Planetary Resources首席执行官Chris Lewicki

而前多伦多大学空间飞行实验室项目经理格兰特·博宁则成立了小行星挖矿公司Deep Space Industries。

此外,还有TransAstra Corporation、Aten Engineering以及 Asteroid Mining Corporation等一连串名声没前两者大的“小行星数据收集与挖矿服务商”陆续成立。

大家的商业模式几乎是统一的,而且看起来没有逻辑错误。甚至有着“达则兼济天下、拯救地球”的英雄主义色彩:

人类文明的下一步必然是向太空扩张。地球对于不断增长的人口来说太小了,我们在有限的资源上挣扎。为了长期生存,我们需要成为一个多星球、太空飞行的物种,尽最大努力去开拓太空资源。

而游走在地球周围的小行星们,除了储存大量的水,还有铂金等贵重金属。水被用来做火箭助推剂,而铂金则最好能运回地球,毕竟这是一种制造氢燃料电池的关键催化剂。

而南非和墨西哥的两大铂金矿诞生的原因之一,就是恰恰享受过陨石“砸”下来的殊荣。

听起来是一个极为相似的故事。

然而不幸的是,正是这个逻辑没有大问题的商业模式,十几年过去,不仅没有一家企业找到合适的小行星并采到矿,甚至是连第一步——对小行星的勘察工作,都没迈出去

原因就在于,每一个执行细节,都是巨大的技术挑战。

举三个最可想象的例子。首先,便是时间问题

NASA在2016年9月发射的探测器OSIRIS-REx,直到2020年10月才着陆到一个名叫101955 Bennu的近地小行星上成功采集了样本,而返回时间为2023年。整个周期达8年的任务,斥资近10亿美元。

第二,在太空中,提取水资源和矿物资源,意味着你需要在太空中建立庞大的基础设施来提炼水和矿石(你不会以为直接把行星拖到地球上吧)。粗略计算,不如参考地面一座钢厂的造价?成本可想而知。

有趣的是,从2010年日本準鸟号收集行星颗粒的相关记录来看,其实探测器并与行星并没有精准对接。后者在按照自己速度运转的情况下,飞船仅仅是在附近翻滚过程中让一些灰尘“漂”了进去

第三,到底是谁来买单的问题。虽然包括美国、英国、日本以及欧盟部分国家都曾向一些行星资源创业公司捐赠数千万美元的款项,但那时候,并没有国家或机构真正愿意付诸一个过于遥远的行动。

画家笔下的準鸟号

画家笔下的準鸟号

后来的商业故事,很多天文与航天爱好者再清楚不过:

有谷歌和维珍背书、名噪一时的Planetary Resources在2019年倒闭;

Deep Space Industries 则在2018年被卖给了航天器推进与控制系统开发商 Bradford Space;

Aten Engineering的Twitter则在2019年就几乎停止运营…

这就像每一个新兴产业的第一阶段——早期尝试的企业,在炒作达到顶峰后便会被撕开问题本质,大多数都会以失败告终。

因此,“太空采矿连续剧”的第一集,就这样落下帷幕。

先赚钱:递推式太空商业策略

那么在未来不可预期的巨大成本压力和技术障碍前,中国这家目前看起来是唯一说出了“以太空采矿为终极目标”的创业公司,讲的难道是不一样的故事?

云栖大会的展台前,在苏萌博士一个小时对公司未来规划的陈述里,我们发现,作为一家非常需要募集资金的创业公司,Origin构想的商业模式更像是一种“按条件分解目标”的策略——

小目标是大目标的条件,大目标是小目标的结果。那就先从小目标下手。

要实现太空采矿,首先要有可开采小行星的基础设施;

而开采小行星之前,需要先有“抓捕”小行星的机器人;

而在设计和生产这样的机器人之前,需要先对小行星进行勘探,对表面物质做更多数据分析。

而后两个实现采矿的必要条件,就被Origin拿来做了可商业化的阶段性目标。也是我们在其展台上看到的两个产品概念——“采矿机器人”(可执行垃圾清理任务)与空间望远镜。

采矿机器人的备注中有一条:具备太空垃圾清理能力。

采矿机器人的备注中有一条:具备太空垃圾清理能力。

没错,前者与近年来航空航天产业讨论度越来越高的“太空垃圾清理”生意有密切关系;而后者,你可以关联到卫星遥感数据的商业化市场

截至目前,要做太空垃圾清理的公司并不少,而且基本用的也是同一套话术——

太空已经成为废弃卫星和运载火箭的垃圾场。以至于2019年,NASA称近地轨道为“世界上最大的垃圾场”,有近6000吨废弃发射垃圾。

而他们也正在监控着多达2.7万块较大的碎片,运行速度比子弹快7倍,严重威胁着执行任务的飞船、卫星以及火箭,甚至是地球的安全。

2020年,欧洲航天局(ESA)首次把一笔高达8600万欧元(6.8亿人民币)的订单签给了一家名叫ClearSpace瑞士创业公司。而这次要完成的任务,是航天史上前所未有的:

2025年,将一个机器人送入近地轨道,最终“捕获”一只名为Vespa的100公斤火箭残留碎片。这块碎片是小型运载火箭织女星(2013年发射)在太空遗留下的二级有效载荷适配器。

如果成功,这将是人类历史上第一次对“完全不配合的空间物体”进行捕获。

ClearSpace-1将使用一个实验性的四臂机器人来捕获2013年织女星发射器留下的二级有效载荷适配器,此图为模拟演示

ClearSpace-1将使用一个实验性的四臂机器人来捕获2013年织女星发射器留下的二级有效载荷适配器,此图为模拟演示

不过,也正是这笔政府交给创业公司的订单,让“太空垃圾清理”这个周边服务,终于从多年来的纸上谈兵,变成了将要实践的现实。

没错,“太空垃圾清理”也是一个讲了近10年的故事。

2012年,美国空军就曾提出过“激光扫帚”的垃圾清除概念,利用激光蒸发物体表面一个点,便会产生一股势不可挡的气流,像引擎一样将它推向大气层“自焚”。

而对“制霸太空”格外重视的日本,早在2013年就出现了像 Astroscale 这样想通过清除太空废墟赚钱的创业公司。

他们起初的设想很有趣——为了降低重量成本,通过一种粘合剂把垃圾粘在飞船上,再拖入大气层烧毁。

Astroscale的东京办公室,工作人员在测试卫星部件。图片来自纽约时报

Astroscale的东京办公室,工作人员在测试卫星部件。图片来自纽约时报

不过,Astroscale 终于在2021年8月取得了关键的阶段性成功——今年3月发射的商业卫星ELSA-d在太空中完成了“捕获碎片”的真实模拟演示:

这颗卫星分离为一个主航天器(捕手)和一个小航天器(碎片),而后者被释放后,迅速被主航天器利用磁力机制再次“吸附”。

ELSA-d

ELSA-d

当然,这仅仅是实验的第一步,因为两个航天器离得不够远,速度也相对一致。

不过,这已经算是太空垃圾清除市场从2021年开始蠢蠢欲动的最大动力源之一。

2021年9月13日,苹果联合创始人在Twitter上宣布,将成立一家确保空间安全的太空垃圾清理公司Privateer。不过截至目前,除了作为亿万富翁都喜欢说的那套关于宇宙探索梦想的陈词滥调,这家公司还没有太多可公开的信息。

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“其实目前来看,全球就三家公司真正拥有这类能力。一个是我们,一个日本的Astroscale,还有一个是拿到欧空局订单的瑞士公司ClearSpace。但ClearSpace截止目前还没有验证他们的上天能力。”

苏萌博士这句话的前提,是他们在2021年4月发射升空的NEO-1太空采矿机器人(刚才图片),以及2019年~2021年发射升空的三颗不同波段探测卫星和一枚空间望远镜。

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“马斯克还说要打4万多颗到近地轨道,亚马逊今年也说要发射3000多颗,中国目前也有了近2万颗的卫星发射计划。未来会有多少废墟和残骸,到时候会产生什么问题,是现在所有人都无法想象的。”

因此,这项为国家航空航天重要任务清理跑道的生意,得到了国家的大力支持。今年6月他们成功发射的空间望远镜仰望一号,被优先搭载在长征二号丁运载火箭上。

虽然这毋庸置疑是一个大趋势。但像Astroscale这类成立超过8年的企业,高昂的研发成本与发射成本,让他们一边不得不靠政府款项捐赠和实验订单度日,一边不断寻找看好市场前景的商业资本。

事实上,清除太空垃圾的生意仅仅处于一个启动期。

而类似于像欧空局给出的订单,也仅仅是第一次尝试。这个任务周期较长,还难以维系一家航空航天创业公司的长期生存。

所以,在实现这个“中期商业目标”之前,需要退到第一步,找一种更为成熟的商业变现形式——卫星遥感数据交易(上面刚说过):

对行星表面与地质勘探,需要多维度的观测数据。而这些数据,可以卖钱。

空间望远镜的力量

“卫星图像数据交易与分析”是一个不可小觑的市场。

早在今年5月,以色列与巴勒斯坦之间的第N波暴力冲突结束后,加沙地带的重建工作就曾因为谷歌这类免费工具提供的卫星图像不清晰而陷入了麻烦。

人道组织的数据专家曾抱怨,由于很多免费图像分辨率很低导致大量无效现场行动,他们不得不高价订阅像 Planet Labs 这类商业卫星观测公司提供的数据

谷歌通过各种渠道搜集的当地免费卫星图片

谷歌通过各种渠道搜集的当地免费卫星图片

市场分析机构ResearchAndMarkets年初就指出,卫星遥感服务市场预计到2024年将达到70亿美元。特别是在采矿、减灾规划与恢复、天气预报以及环境保护等领域非常受欢迎。

而美国既是这一服务的最大市场,也是世界上发射遥感与探测卫星最多的国家。不过相对来看,亚太地区则是这一服务增长最快的市场,复合年增长率高达20.4% 。

“在国外,商业卫星数据服务其实已经非常成熟,包括政府和商业机构,都会向卫星运营商购买图像和其他相关数据。”

苏萌博士向虎嗅透露,包括此前发射的三颗探测与遥感卫星,以及在今年发射的空间望远镜,一部分的考量是为太空开采与垃圾清理做地理信息储备;另一个原因,便是让公司能够快速进入商业化阶段。

“发射更多探测卫星,制造更好的望远镜,才能更好地了解宇宙。但只靠政府投入,很多像空间望远镜的大型设备成本之高难以想象。” 他指出,很多国家级空间天文设备除了数亿美元投入,周期也都超过10年以上。

“如果这个行业里没有没有市场化,没有商业化,就可能是70年代的美国实验室里,行业永远没有办法发展。所以,这个行业一定要能赚钱。”

而他们掌握的空间望远镜设计与发射优势,也许可以先在这个市场找到落脚点。

仰望一号空间望远镜模型,

仰望一号空间望远镜模型,

2010年,哈佛-史密森天体物理中心的三位科学家发现了一个从银河系中心向外辐射的巨大双球结构——“费米气泡”,它在银河系的圆盘上延伸了5万光年,由气体、尘埃和宇宙射线组成,盘旋在银河系黑洞的两边。

这是一个了不起的发现,被天文学会杂志评为当年十大天文学进展之首。

因为它们暗示了一个发生在数百万年前的重大事件,很可能是我们银河系中心的黑洞吞噬了大量气体和尘埃——这些气体和尘埃的质量可能是太阳的几百倍甚至几千倍。但这些气泡究竟是如何形成的,仍是一个谜。

费米气泡

费米气泡

而很少人知道,苏萌博士恰是这三位科学家之一,正是他,开发出了第一张显示费米气泡确切形状的地图,并因此获得了天文学最高奖之一的布鲁诺。

因此,作为一位高能天体物理学家,他在空间望远镜观测领域有极高的权威,参与了中国几乎所有空间望远镜的研发项目。

譬如,2015年12月成功发射的中国第一个空间望远镜——暗物质粒子探测卫星“悟空号”,研发团队名单上便有苏萌博士的名字,他从2011年就工作在这个项目上,甚至脱口而出“准确的发射时间应该为早晨8点12份07秒”。

“中国需要有自己的‘哈勃望远镜’,空间望远镜对于太空探索有非常重要的意义。” 但同时,包括大名鼎鼎的哈勃望远镜在内,也一直因为论文等学术及实际应用产出不足,而被诟病投资回报不高。因此,相关项目通常并不会被国家优先考虑。

譬如,连美国最先进的詹姆斯韦伯太空望远镜项目,最新预估的总耗资上涨到96.6亿美元,而发射时间也从2007年推迟到现在还没有上天。

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不过,我们从一份按电磁波谱频段分类(即自高频至低频分为伽玛射线区、X射线区、紫外线区、可见光区、红外线区、微波区和无线电区,有些望远镜工作在上述中的多个频段)的全球望远镜发射列表里发现,大多数空间望远镜由欧美以及日本发射,中国仅有两枚在列。

而据苏博士解释,迄今为止中国发射的天文望远镜都处于高能波段,也就是伽马射线与X射线频段。

第二个便是悟空号

第二个便是悟空号

而在2021年,苏萌博士与喻天弘博士创立的Origin Space,在国家支持下,发射了“仰望一号”空间望远镜,也是中国第一个在紫外光线与可见光谱频段内的空间望远镜。

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对于生活在地球的普通人来说,紫外线是个糟糕的东西。但在天文学家眼中,它则是宝藏般的存在,因为它可以通过探测能量源,清晰反馈出星体状态和天体物理的变化过程——

哪里的分子云质量最大,温度最高,能力最强?在没有大气层阻挡的外太空,这就是紫外线的意义。

“尽管我们的望远镜是单幅,但视场非常大,因此可以拍摄到大麦哲伦星云。” 苏博士说,这是一张用“仰望一号”拍摄的典型深空画面,通常只有南半球才可以观测到。

“如果展开,它便有十几个月亮那么庞大,十分壮观。不过你可能只有在南极才能用肉眼看到。”

麦哲伦星云观测图

麦哲伦星云观测图

因此,天文学家们可以通过仰望一号进行这种天文学的巡天观测,包括对各种天体状态及小行星的绕地行动轨迹做进一步观察和数据分析。

而“仰望一号”也被国际天文学联合会承认了学术研究的存在价值——被正式授予了天文台编号。也就是说,它所产生的数据在得到相关校验后,会得到学界的分享与认可。

而另一个对中国来说非常重要的意义是,它的确是第一个非美国NASA发射的,被国际天文学联合会认可的小天体观测天文台。

获得了单独编号

获得了单独编号

不过,毋庸置疑,在观测精度和数据应用层面,它与国际最先进水平仍有不小差距。

“得到编号仅仅说明你的数据达到了可以用的水平,毕竟你从成本和人力角度,都没有人家好。” 但苏博士认为,只要特定时间内别人没看到,我们看到时,这个数据就有价值

“不是说哈勃看过,其他望远镜就不用看了。”

作为一家民营企业,除了低成本做出这个东西,还必然需要用它来赚钱。而这个领域目前最容易变现的,便是这一章节开头所说的——卫星遥感数据订阅服务

那么问题来了,空间望远镜的地面拍摄与普通商业遥感卫星之间的差异和优势到底是什么?

以手机为例,我们大部分人手机在夜间拍照呈像模糊且颗粒度高,一部分原因是我们的手机主要是按照白天拍照来设计的,但本身就是为观测广袤宇宙深处而设计的空间望远镜,则是为夜间拍摄而生。

“普通遥感卫星目的是把物体拍清楚,肯定要在光照最好的时候拍照。而夜晚没有太阳光照射,地面发出的所有光都是人造照明。所以这种人类活动光的分布,就可以看出区域性的经济活动变化。”

在通过仰望一号夜光遥感拍摄的场景里,北京市(下图)的整体轮廓和经济活动分布清晰可见。

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他指出,对于包括美国和中国的绝大部分空间望远镜来说,主要任务是做研究,通常不会拍摄地面,特别是人类活动。

“但我们是商业公司,就需要去找一种平衡和结合点,让一台耗资巨大的设备同时发挥它的研究价值与经济价值。”

香港理工大学朱孝林教授团队是仰望一号的首个数据用户。

他在使用了多个空间望远镜与遥感卫星的公开数据集后,在论文中给出了一个相对中肯的评价:“仰望这种夜光遥感数据综合水平是公开数据里最好的。”

图片来自朱孝林教授团队的论文。这是来自三个卫星的粤港澳大湾区数据,b为美国卫星,c为中国珞珈一号,d为仰望一号。不过珞珈一号目前已停止工作。

图片来自朱孝林教授团队的论文。这是来自三个卫星的粤港澳大湾区数据,b为美国卫星,c为中国珞珈一号,d为仰望一号。不过珞珈一号目前已停止工作。

苏博士认为,尽管可以购买美国商业公司或其他中国商业卫星数据,他们其实都能做到一米的分辨率,但视野相对较小;而仰望一号的分辨率在50米左右,但兼顾了分辨率和视场的指标。

“在等待中国国家大项目‘CSST’光学望远镜(2009年计划立项)上天的那一天前,应该通过商业化低成本的方式来做一些事情。尽管比哈勃差很多,但小设备做可以做大视场观测。

总之,Better than nothing。

写在最后

那么,让我们再次回到Origin最初设立的终极目标上:仅凭仰望一号空间望远镜,是否可以清楚地知晓小行星的表面地质成分,进而找到有丰富水资源和稀有矿物质的那一颗?

当然不能。

仅靠光学波段(一般光学波段除可见光外,还包括波长小于紫光波的紫外线和波长大于红光波的红外线,波长范围大致从 1nm 到 1mm),只能确定这是一个小行星以及它在朝哪儿移动。而要探知行星上的地质条件,需要紫外、红外等多波段光谱的联手合作。

”你可以想象金属或沙石,它们反射太阳光的效率是不一样的,有的是漫反射,有的是镜面反射,只有通过这些信息才能反推它的物理状态与成分。因此,要等我们下一个红外波段望远镜上线。”

仍然是时间的问题。

但中国对浩瀚宇宙的基础研究与创新性探索,在这几年国家战略的推动下,有了加速的迹象。

“我在学界时也曾沟通和呼吁,而后来创业也认识到民间资本的力量。” 苏博士很理解,每个国家处于的不同发展阶段,会决定到底投入多少来做这样一件事情。而他决定走出学界,创立Origin Space后,在2019年获得了经纬领投的5000万人民币天使轮融资。

“我们最终目标是采矿,而发射的空间望远镜和现在商业化路径,讲出来好像也不是很exciting,但对我们自己来说,是一个里程碑事件。”

“太空挖矿”这件事,自始至终就绝对不能仅靠某一方的力量。

就像太空采矿绝不仅仅是需要几种技术、几家公司以及十几个演示视频一样,这个从概念提出迄今已过去将近40年的领域,除了受到资本与技术的制约,也会受到国与国之间的利益边界以及国际法与太空协议的牵制。

就拿清理太空垃圾这件事来说,根据1967年的一项条约,太空中的人造物体属于发射它们的国家,未经批准不得触碰。

“太空采矿的确非常遥远。但我们在做的一件事情其实是在打开另外一个认知的大门。” 苏博士把这件事比做大航海时代里,第一批船队开辟新航路,跨越半个地球做远洋探索。

“哥伦布500年前带回的第一个东方瓷器,肯定不够回本,更赚不到钱,但这就是一个新时代的开端。”