第 3.3 節 - 資源：勘探方法
將材料移動到太空所需的能量在很大程度上取決於必須穿越的重力勢能。地球的深重力井需要消耗大量能量才能爬升，這從傳統的火箭發射中可以看出。因此，減少太空專案難度和成本的主要方法是利用當地資源，而不是將所有東西都從地球上帶走。為了明智地計劃利用當地資源，首先需要了解這些資源是什麼。找出那裡有什麼的任務被稱為資源勘探，無論是在地球上還是在太空中。本節將討論勘探方法，以及已知資源的當前清單。接下來的部分將討論資源的用途和實施方法。
所有尋找資源的方法都涉及首先感知一個位置的特徵，記錄測量結果，然後解釋資料以確定它可以用於什麼。歷史上，感官裝置是人類的感知器官（眼睛、耳朵、皮膚、味覺和嗅覺）。紙和筆，有時還收集樣本，用來記錄資訊，然後人類繪製的 地圖和書面記錄來解釋資料。最近，比人類感官更準確和靈敏的儀器被開發出來。一些儀器可以檢測人類無法感知的特性。將儀器與計算機整合，使記錄過程自動化，並正在朝著解釋步驟自動化邁進。人類更多地擔任儀器和計算機的監督角色，儘管仍然進行一定程度的直接區域性感知。
科學勘探 - 通常，在使用（例如風力渦輪機發電機的 地圖）可用之前，會進行諸如風速等測量，持續數年。這說明了科學資料和商業資料之間的區別。科學知識有時被描述為本身就是好的。一個不太哲學的觀點是，我們事先不知道什麼知識將被證明有用。因此，我們積累了各種各樣的知識，懷著合理的希望，其中一些會變得有用。太空以多種方式影響著地球，瞭解其他行星的歷史有助於我們更好地瞭解我們所居住的這個特殊的星球。因此，天文學和行星科學預計將在一般情況下會變得有用。
收集“科學”資料也是更詳細的勘探和區域性利用的第一步，即使我們還不知道確切的用途。如果沒有明確的用途，就沒有必要隱藏資料或重複工作，因此科學作為一項公開和共享的事業進行。當更多的人能夠審查和建立在其他人先前工作的基礎上時，這也提供了更好的錯誤檢測和更快的進展。
商業勘探 - 隨著用途變得更加區域性、私人和商業化，人們越來越傾向於將資料保密，而不是公開。個人利益和優勢現在開始發揮作用，並且對一個特定地點進行詳細勘探的相對工作量大於一般製圖或探測。因此，雖然公共勘探和私人勘探可能使用類似的裝置，但對資料的使用方式卻有所不同。這在採礦和其他資源開採行業最為明顯。一些為商業用途收集的資訊最終將被公開發布，並新增到通用知識庫中。迄今為止，幾乎所有對太空的勘探都是以科學為主導的。
勘探方法可以根據其進行的距離和產生的細節進行劃分。這些通常是成反比的——距離越短，細節越多——因為儀器具有固定的感測器解析度。與資料的解釋者之間的距離越大，如無人行星勘探，也與傳輸速度成反比，原因相同。諸如無線電碟形天線之類的裝置用於將資料傳回地球，也具有固定的解析度，因此距離越遠，訊號強度和頻寬越低。因此，由於靠近目標而使用更小的光學器件的優勢必須權衡由於遠離地球而需要更強大的發射器和更大天線的必要性。
以下部分討論了各種型別的儀器，這些儀器被歸類為遠距離、中距離和近距離。遠距離意味著儀器比目標更靠近儲存和解釋位置。中距離意味著儀器比儲存/解釋地點更靠近目標，但並不直接接觸。最後，近距離意味著直接接觸目標位置並能夠與其互動。
- 望遠鏡
在 1610 年之前，遠距離勘探僅限於人類感官，因此除了天空中物體的亮度和位置之外，人們知之甚少。伽利略為天文學開發的望遠鏡改變了這種情況，這種變化一直持續到今天，望遠鏡越來越大，它們執行的波長範圍也越來越廣。望遠鏡通常由收集和聚焦低強度光子（光或電磁波）的光學器件以及隨後檢測集中光子的感測器組成。這使得能夠檢測原本太暗而無法看到的東西。最初，檢測器是人眼，之後是 1840 年開始的攝影，以及 1979 年開始的電子感測器。就光子效率而言，電子感測器比膠片敏感 50 倍。一塊照相底片可能代表 4 億畫素的影像解析度，因此直到最近，感測器陣列才在解析度和靈敏度上都與底片相匹配。
記錄資料的過程已經從天文學家用手寫日誌和圖表記錄他們所看到的內容，發展到充當感測器和記錄介質的照相底片，再到照相底片的自動化測量以轉換為數字形式，最後到將電子感測器資料傳輸到計算機儲存。資料解釋現在是透過計算機軟體半自動化的。例如，近地天體的檢測是透過比較兩次的電子影像來實現的。影像之間發生變化的任何東西都是潛在的 NEO，軟體會過濾掉已知物體和變星，留下人類需要檢查的檢測列表。對天文學資料的最終解釋是由人類完成的，以地圖、目錄、技術論文和書籍的形式。
光學望遠鏡的尺寸（因此靈敏度）不斷增加，遷移到觀測條件更好的地方（高海拔和乾燥，甚至在太空中本身），並開發了自適應光學來克服地球大氣層的模糊。對於被大氣吸收的其他波長，高海拔或太空是必不可少的。對於長波長，例如無線電波段，單一儀器無法提供足夠的解析度。孔徑合成，即從相距很遠的天文望遠鏡獲得的資料的數學組合，在這種情況下用於提供更高的解析度。
維基百科上有幾篇文章列出了大型儀器。光學反射鏡被用於所有最大的儀器，因為大型透鏡存在困難。有源檢測器通常是電子電荷耦合器件或 CCD，它將光轉換為數字訊號，並且通常使用光譜儀對入射光按波長進行分類。射電望遠鏡使用多種設計，其中經常使用各種尺寸的可轉向金屬碟形天線，以及透過組合來自地球直徑的天文望遠鏡的訊號進行孔徑合成以獲得更高的解析度。有源檢測器通常是低溫冷卻的固態放大器，以減少噪聲。空間望遠鏡覆蓋了許多波長範圍，並使用各種檢測器型別。在可見光波長附近執行的天文望遠鏡設計類似於地面光學望遠鏡。
重力彎曲電磁波，並且由恆星和星系等大質量物體形成的自然透鏡已被用來觀測透鏡後面的遙遠物體，以及檢測和測量透鏡物體。仍然需要一臺傳統望遠鏡靠近地球來使用這種效應。這種自然重力透鏡是不可轉向的。在未來，太陽可能被用作可轉向的重力透鏡，方法是在您要觀察的物體對面位置放置觀測望遠鏡。太陽彎曲光的角度需要超過 550 個天文單位的距離才能達到焦點。使用太陽的吸引力在於它巨大的直徑，這將帶來高解析度。在此期間，其他越來越強大的大型望遠鏡將繼續建造，現有的望遠鏡將升級為更好的儀器並繼續使用。
- 隕石
首先，我們來定義一些術語，因為它們可能容易混淆：小行星或流星體是指在太空中執行的天體。流星是指天體進入大氣層時因高溫而燃燒發光的軌跡，而隕石是指天體落到地面後的殘骸。隕石是來自太空環境的直接長距離樣本，大自然將它們送到了我們身邊，而我們不必親自去太空採集樣本。它們在實驗室中提供了有用的比較光譜，可以用來與來自太空物體的望遠鏡光譜進行比較。我們還可以直接分析它們的成分。如果我們能記錄隕石的墜落軌跡，那麼它對我們的研究將更有用，因為我們可以推測它來自哪裡。隕石的一個缺點是我們無法控制它們在何處或何時墜落。樣本返回任務與隕石在將物質帶回地球以進行研究的方式類似，但它們可以從更遠的距離獲取樣本。透過將樣本儲存在容器中返回地球，而不是像隕石那樣經歷大氣層開放通道，然後可能在被拾取之前在地面上暴露很長時間，樣本返回任務可以提供更多關於來源位置的資訊以及更好的儲存狀況。
- 雷達和光學測距
一些天體足夠接近，可以使用雷達或雷射脈衝來確定它們的距離，在某些情況下還可以確定它們的形狀。距離測量非常精確，因為探測器的計時精度很高。形狀是從返回脈衝的時間分佈中獲得的，距離較遠的部分需要更長的時間才能返回。在物體旋轉時，可以利用不同時間的多個脈衝來確定三維形狀。反射脈衝強度隨距離的四次方反比變化，因為它們都遵循平方反比定律。因此，該方法受到距離的很大限制，但使用超大型無線電天線和強大的發射器在一定程度上克服了這一限制。
透過解釋長距離儀器資料，可以獲得以下資訊型別
位置/軌道 - 通常，這是新發現天體的第一條資訊。天空大部分是黑暗的，恆星和其他天體在感測器中顯示為亮點。在人類的時間尺度上，恆星彼此之間移動緩慢，移動較慢的恆星被稱為固定恆星，即使它們在足夠長的時間內並不是靜止的。對於這類恆星，它們在天空中位置的記錄方式是將經緯度投影到一個假設為無限遠的參考球體上。覆蓋在固定恆星之上的物體在短時間內會移動。這些是表現出視差或軌道運動的恆星，以及在我們的太陽系內表現出軌道運動的天體。視差是由於地球繞太陽運動而造成的，相對較近的恆星與較遠恆星的視位置發生微小的變化。地球軌道寬度按定義為 2 個天文單位，相對於最近恆星的距離（260,000 個天文單位）來說很小。儘管如此，這仍然允許透過簡單的三角學直接確定距離。所有更遠的天體都需要透過間接方法估算距離。處於雙星或更高階系統（兩顆或多顆恆星）中的恆星，或者擁有相對較重的行星的恆星，會顯示出微小的運動，這是由這些天體圍繞它們共同質心而不是它們自身的中心運動造成的。
對於太陽系內的天體，它們的軌道速度足以在幾天或幾小時內表現出相對於固定恆星的運動，而不是恆星運動的幾個月或幾年。在短時間內發生的顯著運動是發現太陽系天體的關鍵特徵。否則，無法將它與肉眼可見的大量恆星區分開。透過在已知時間至少進行三次位置測量，可以確定軌道的總體引數。對於發現來說，這些測量通常間隔很短，例如連續的夜晚。透過更多的測量，以及間隔較長的時間的測量，可以獲得更長的軌道路徑基線，從而可以相當準確地確定軌道引數。
大小 - 天體反射的太陽光比例稱為反照率。反照率乘以天體的面積等於其反射的總光量。從軌道引數中，您可以計算出物理距離。觀察到的亮度和假設的反照率可以估算出大小。在最初發現時，天體可能只佔據傳感器上的一個畫素，因此無法透過探測器上的影像來測量大小，只能透過亮度進行估算。
- 望遠鏡/相機
這些儀器的執行方式與地球上的長距離望遠鏡相同，但由於它們距離目標更近，因此可以獲得更高的細節（以畫素/公里或米衡量）。除了少數早期的膠片記錄器外，航天器都使用電子感測器，它們的資料通常儲存在儲存裝置中，然後傳輸回地球。需要儲存是因為影像記錄時間以及傳輸的時間和速度經常不同，尤其是在望遠鏡和發射器都固定在航天器機體上的情況下。為不同波長範圍設計的感測器可以用於同一儀器，並且可以在感測器前面放置濾光片以選擇特定感興趣的波長。更遠的紅外波長測量熱輻射，除了反射的陽光外，熱圖的變化率可以指示特性。陽光穿過大氣層的吸收可以確定其成分。
- 非成像光學儀器
除了透過望遠鏡光學直接進行二維成像之外，還可以收集其他幾種型別的資料
- 輻射計 - 它測量紅外亮度以確定表面溫度。
- 偏振計 - 透過偏振板或薄膜測量入射光的偏振。
- 光度計 - 測量物體總亮度，精度很高，不一定需要生成二維影像。
- 光譜儀 - 根據波長分離入射光，並記錄每個範圍內的亮度。可以從物體的光譜中確定大量關於物體的資訊。
- 雷達儀器
雷達或雷射脈衝從目標反射回來的時間可以確定距離或高度。合成孔徑雷達可以根據多普勒頻率變化與返回時間的函式關係確定高度。
- 磁力計
測量目標周圍的磁場。
- 高能探測器
這些儀器探測中子、α粒子、離子以及伽馬射線，可以提供有關目標成分的資訊。在某些情況下，高能自然輻射會撞擊目標，並會發射出特徵性的二次粒子。在其他情況下，粒子直接由目標發射並被探測到。
- 重力測繪
它本身不是一種儀器，而是利用無線電訊號的多普勒和計時資訊來推斷由目標的重力場引起的航天器運動。兩個在軌道上執行的感測器可以透過干涉測量非常準確地確定它們的距離。可以透過此距離的變化來推斷重力場的更細微特徵。
- 相機
相機和望遠鏡在根本上是相似的裝置，包括光學元件和電子感測器。主要區別在於，在近距離情況下，不需要使用大型光學元件來獲得足夠的解析度或亮度，並且目標足夠近，有時需要比有效無限遠更近的焦點。兩臺相隔一定距離的相機，或從不同位置使用的單臺相機可以生成立體資料，從中可以推斷出三維形狀。當光學元件距離非常近且具有放大功能時，該裝置稱為顯微鏡。顯微鏡檢查可以確定礦物型別。
- 穆斯堡爾譜儀
它使用伽馬射線源，例如放射性同位素，並測量目標中原子的反衝，以確定它們的成分。
- α粒子譜儀
它使用α粒子、質子和 X 射線組合源，例如一組放射性同位素。返回的 X 射線和粒子的波長和能量是成分的特徵，這使得您可以分析樣本。
- 雷射光譜儀
使用中等功率的雷射蒸發目標，然後可以使用產生的發射光譜來確定成分。
- 化學/生物樣本室
收集目標樣本並存放在樣本室中，然後對樣本室進行各種液體和條件處理，例如加熱。 分析結果的各種方法包括：使用一面照射樣本室的光源和另一面的光譜儀進行透射光譜分析，或者使用氣相色譜儀或質譜儀來確定釋放的揮發性氣體的成分。 使用類似方法測試目標的生物活性或與地球生物的相容性。
- 動能勘探
穿越月球等天體的崎嶇地形十分困難且緩慢。 一種替代方法是將著陸器/漫遊車送往高點，例如山脈或隕石坑邊緣。 它拾取一塊質量合適的岩石，並使用離心臂以極快的速度將岩石拋向選定的目標。 然後，它用望遠鏡和光譜儀觀察撞擊，以確定目標的成分，並可能使用其他儀器獲取更多資料。 根據需要重複此過程，以針對其他目標進行勘探。 這使得無需遍歷整個區域即可對大面積進行勘探。 在“深撞擊”號和“月球隕坑觀測和感測衛星”任務中使用了動能方法。
- 地面探測儀器
**地震儀**對地面的運動非常敏感。 自然或人工的撞擊或運動會在地體內部產生地震波。 地震波到達地震儀的時間可以確定地體的內部結構和性質。 插入地下的 **熱探針** 可以測量來自內部的總熱流和流向內部的熱流，以及熱導率。 **重力儀** 精確測量當地的重力加速度，由此可以計算出周圍地面的密度。
- 地下勘探
在 **岩心取樣** 中，將一根空心鑽頭鑽入地下，以分離出一段幾乎未受干擾的物質圓柱體。 岩心樣本被取出並在地面上進行檢查。 **鑽探** 使用更大的機器，可以到達深達數公里的深度。 鑽屑可以沖刷到地面並在地面上進行檢查，或者儀器可以緊隨鑽頭下方或之後被放下。