问题描述

随着科学的发展和技术的进步，人类的太空探索早已不局限于使用绕地卫星对地球表面及地球附近的探索，而是走向了行星际空间，包括对太空中天体的环绕、观测、着陆、化学成分分析、着陆采样，甚至采矿等。

小行星采矿涉及多门学科，从小行星中提取有用材料的概念这一想法很早就被提出了。随着科学技术的发展，目前对小行星采矿的想法日趋成熟。由于小行星的易达性，所以深空采矿和深空工业化的主要目标将是小行星。

问题背景

2001年，Ross已经系统地对近地小行星采矿进行了介绍，包括对小行星上矿物资源进行介绍、采矿任务中涉及技术问题进行分析，同时论述了小行星采矿的可行性。此后，很多学者对小行星采矿经济效益进行评估，做了详细研究，更从经济角度考虑如何选取采矿任务的目标小行星。通过研究所得进行采矿最具经济效益的5个目标小行星详见表1。在此基础上， 2016年Hellgren在其硕士论文中对小行星采矿进行了更为全面的综述。

表1. 最具经济效益的5个采矿目标小行星信息

小行星 价值估计（亿美元） 利润估计（亿美元） Δv (km/s) 资源类型

Ryugu 950 350 4.663 镍、铁、钴、水、氮、氢、氨

1989 ML 140 40 4.888 镍、铁、钴

Nereus 50 10 4.986 镍、铁、钴

Didymos 840 220 5.162 镍、铁、钴

2011 UW158 80 20 5.187 铂、镍、铁、钴

在理论研究的基础上，美国的两家公司“行星资源”（Planetary Resources，简称PR）和“深空工业”（Deep Space Industries，简称DSI）对商业性的小行星采矿计划进行了策划。“行星资源”公司于2010年11月成立，公司借开发与实践小行星采矿的技术“扩大地球的天然资源基础”。为了实现自动化小行星采矿这项长远目标，该公司现已开始制造用于观测小行星的太空望远镜，下一步将遣送探测器到选定的小行星附近进行勘察。

另外一家公司“深空工业”是总部设在美国航空航天局NASA位于加利福尼亚州商业园的一家私营企业。NASA曾在 2014 年与其签订两份合同，进行小行星采矿的商业化和工业化探索。该公司计划将于2020年开展小行星采矿。

最新进展（截止问题发布年度）

（1） 停泊轨道稳定控制

小行星附近动力学环境复杂，为了实现在小行星附近稳定悬停，通常需要进行主动控制。与月球、火星等大天体相比，小行星由于体积小且形状极不规则，对控制精度要求更高、难度更大。本研究拟设计一定控制律实现小行星停泊轨道的稳定控制。

（2） 小行星表面质点运动特性分析

在小行星采矿过程研究中，必然涉及较多小行星表面运动分析。由于小行星微重力和不规则外形等原因，小行星表面运动一直是世界性难题，相关研究较少，是本研究需要解决的关键问题。

重要意义

随着世界人口的增长，人类对于资源的需求也越来越大。然而，地球上的资源是有限的。据估测，一些人们所必需的金属和矿物等资源可能在40-50年内耗尽。由于地球上大部分资源已经被开采，为了人类和其它物种的延续，我们可以把目光投向太空采矿。对于太空采矿，我们可以选择月球、火星、小行星等天体作为采矿目标。经研究发现，相比月球和火星等大天体，小行星采矿具有更大优势。

截止目前，太阳系中已发现的小行星已逾127万多颗。小天体中蕴藏着丰富的工业资源和稀有金属资源，科学家们通过对小行星的光谱和对落在地球上的陨石进行分析，将小行星划分为石质、碳质和金属等多种类型。这其中，金属型的小行星主要由铁、镍构成，并含有多种金属元素，特别是铂、钴、铑、铱、锇等珍稀金属。亚利桑那大学的约翰·刘易斯教授分析，直径仅1千米的普通小行星重达20亿吨，在其地壳中含有2亿吨铁，3000万吨高品质镍，150万吨战略金属钴和7500吨铂系金属混合物，这其中单是铂一项的价值就高达1500亿美元。

除 “身家丰厚”外，比起开发木星、火星等星球，小行星采矿更具独特优势。首先，小行星的重力几乎可忽略不计，开采时方便了飞船的起降和采矿设备的建设，还可为高技术产业研发提供低重力环境；其次，小行星总数多、化学组成多样化，可提供不同的资源以供开采利用；另外，碳质小行星富含的冰水可分解成飞船所得的氢氧燃料，或用来满足航天员的生活所需，降低太空采矿的成本。特别的，对于近地小行星而言，从地球发射同样航天器到大多数近地小新星所需燃料及运载能力与奔赴月球相近，远小于飞向火星、木星等其他星体，这也使得小行星采矿更具可行性。

在全球金属消费量日渐攀升、地球能源紧缺的今天，设法开发小行星蕴藏的矿产等资源显得尤为必要。除此之外，小行星由于其资源丰富、开采优势，对其开采具有巨大经济效益。据估计，一个新的稀土金属矿从头开发需要的费用为10亿美元，而一颗小行星可能藏着价值高达500亿美元的铂金。综上，小行星采矿不仅是必要的，还蕴藏着很大的经济效益。未来，太空采矿一旦实现，将会为人类提供取之不尽的矿石、能源，同时矿星上的基地也可作为人类向宇宙更深处探索的驿站，拓展人类生活的疆域。