第 3.4 節 - 資源開採

本節討論如何從自然狀態下提取資源。對於物質和能量，這些通常被稱為採礦和能源生產，但後者是錯誤的名稱。能量不能創造，只能從現有來源轉換，因此我們更喜歡使用 **提取** 一詞。

採礦

採礦是提取（或者在分散材料的情況下，收集）物理材料以直接使用或進一步加工的過程。**礦床** 或 **礦石** 是自然發生的材料，其尺寸或濃度足以經濟地開採。採礦技術將根據您開採的內容和開採地點而有所不同。因此，本節按物理狀態和開採的自然天體型別組織方法。某些加工可能在採礦現場進行，以濃縮礦石或將其準備運輸。濃縮稱為 **選礦**，還有許多其他可以應用的工藝，例如破碎和燒結。

挑戰

宇宙中大部分的重子物質很不方便地位於大型天體內部，很難到達。事實上，球體是許多大型物體近似的形狀，在給定體積下具有最小的表面積。換句話說，內部相對難以獲得的物質與表面易於獲得的物質的比例最大。另一個問題是有用的金屬，例如鐵，由於它們的密度，往往會聚集在大型天體的中心，在那裡由於周圍的岩石層而無法獲得。除了物理不可接近性之外，許多物質處於等離子體狀態（例如恆星）或非常低的密度（例如分子云）。因此，採礦的挑戰在於獲得目前可以獲得的少量物質，並開發技術來擴大此類物質的範圍。

即使是地球上的傳統採礦也僅僅是 “刮擦表面”。所謂的深層開採和鑽探通常只到達地球半徑的頂端 0.1%。這限制了我們獲取稀有材料的能力，或者限制了未來大型專案所需的大量常見材料的能力。太空採礦是擴大可獲得材料範圍的一種方法，因為它是一個新的可獲得區域，其歷史和成分與地球不同，但它應被視為未來採礦總挑戰的一部分。

固體天體開採

按重力級開採

我們可以按尺寸將固體天體分成幾組。小型天體是指典型的採礦裝置的力和速度大於區域性重力。因此，需要裝置錨定以防止其自行移動，或者需要特殊的設計以防止礫石和灰塵傳播很遠，甚至完全離開天體。根據地球建築裝置的推斷，區域性重力低於 2 m/s² (0.2 g) 將需要較低的裝置力和錨定。爆破是最具能量的採礦作業。從爆破安全規範中，我們估計重力低於 0.3 m/s² (0.03 g) 將需要距彈片和碎片超過 1 公里的安全距離，這變得不合理。該值可能需要根據實際經驗進行更新。現在，我們將天體按 0.3 和 2 米/秒² 的重力分為低、中、高重力，以用於採礦目的。對於最小的物體，您不會像從較大的天體中移除物質那樣開採它們，而是將它們捕獲並運輸到處理地點（如果需要）。

低重力開採

中重力開採

高重力開採

按深度開採

我們還可以按深度劃分採礦技術。這些是地表、地下或地下以及深層開採。地下是指任何露天坑或休止角不足的地方，需要支柱或牆壁支撐。支撐可以是留在地下的天然材料的一部分，也可以是作為礦山開發的一部分安裝的人工支撐。深層開採是指當來自上方的自然材料的重力載荷開始導致位移或坍塌時。這需要完全封閉的隧道或管道或其他特殊技術。周圍材料的強度將決定何時達到深層條件，這將因地而異。作為參考，對於岩石地區，深層可以被認為超過 15 公里 /（區域性重力加速度，單位為米/秒²）。重力隨著您移動到天體中心而下降，因此除了少數最大的小行星之外，整個內部可能由於重力載荷不足而不會達到深層條件。相反，在月球等更大的天體上，由於更高的重力和更大的半徑，您可以在半徑的 0.5% 內達到深層條件。

露天開採

地下開採

深層開採

我們將以深層開採為例，開採第二大質量小行星灶神星的核心，以獲取鐵。灶神星在其早期形成過程中因放射性衰變而融化，並形成了一個鐵核和岩石地幔。它具有以下特性

• 極半徑 = 229 公里 表面，106 公里 核心
• 赤道半徑 = 305 公里 最高點，114 公里 核心
• 重力 = 0.329 極地，0.1532 赤道最高點，以及 0.257 核心，單位為米/秒²。赤道重力低得多是由於更大的半徑和快速自轉（5.34 小時的自轉週期）。
• 地幔密度 = 3115 千克/米³

作為近似值，我們取從地表到核心的極地和赤道平均加速度乘以距離。這相當於 123,000 米 x 0.293 和 191,000 米 x 0.205。極地值略低，因此我們從極地向下挖掘。一列高度、密度和加速度都相同的岩石地幔在底部承受的壓力為 112.26 兆帕 (16,300 磅/平方英寸)。這高於岩石的可能強度，因此無支撐的孔洞很可能發生故障，我們確實處於深層開採條件下。因此，孔洞將需要襯裡，例如從其他地方獲得的鋼，至少對於較深的部分需要。核心本身，主要由鐵組成，將自行支撐，直到過多的核心被提取出來併發生核心坍塌。大約一半的核心可以安全地提取，總計 2330 萬吉噸，或按目前的開採速度計算約 1500 萬年的地球產量。

拆解

即使是深層開採技術，在某些時候也會變得不切實際。許多天體內部有熱核或液態層，即使沒有這些問題，壓力也會要求隧道或管道壁太厚，不值得安裝。到達這些極深資源的唯一方法是首先移除所有上覆的物質，這相當於拆卸天體或其大部分。

由於天體的重力，將一個大的物體結合在一起的能量稱為引力結合能 - 。對於一個均勻的球體，它由以下公式得出

$U={\frac {3GM^{2}}{5r}}$

其中 G 是萬有引力常數，M 是球體的質量，r 是它的半徑。因此，要從該物體中提取所有物質，至少需要以 100% 的效率輸入此能量。這假設您沒有進行任何處理，只是物理上移除了所有物質。例如，對於地球，考慮到實際的質量分佈和深度密度，U = 2.487 · 10³² J。

拆卸時間 - 這是一個特徵時間，它是透過將結合能 U 除以落在物體上的太陽能通量得到的。還有其他能量來源可供使用，但陽光通常在太空中可用，因此它為使用落在物體上的太陽能以 100% 效率拆卸該物體的時間提供了一個自然值。從特徵值，您可以透過將特徵值乘以您打算提取的物體的比例，併除以太陽能轉換效率，來估算大型採礦專案的實際時間。地球的太陽能通量平均為 1360 W/m^2，半徑為 6378000 米，因此總通量為 1.74 · 10¹⁷ J/s。這給出了一個特徵拆卸時間為 4530 萬年。

採礦大氣

對於具有明顯表面壓力和明確的固體或液體表面的天體，大氣的大規模開採相對簡單。主要要求是泵和儲罐。如果需要分離特定的成分，則會變得更加複雜，需要液化或冷凍來分離不同的化合物。對於低壓大氣，選擇性電離或質譜法等方法可以用於分離特定的成分。對於沒有明確表面的天體，或者在您不想著陸的情況下，可以使用軌道剷鬥採礦法。

剷鬥採礦

剷鬥採礦船概念

該方法涉及掠過一個物體的上層大氣以收集氣體，然後將收集到的質量的一部分作為推進劑噴射出來，以彌補阻力。收集氣體的海拔高度是根據剷鬥的阻力和加熱水平以及可用推力選擇的。剷鬥的形狀是反向噴嘴，將高速、低壓氣流轉換為低速（相對於剷鬥）的高壓氣體。收集到的氣體被泵入儲罐。由於具有大氣的物體的收集速度通常高於化學火箭排氣速度，因此為了彌補阻力而噴射的部分將需要以電推進器速度（30-50 km/s）進行。為了保持軌道，平均推力必須等於平均阻力。剷鬥速度/排氣速度的比率決定了需要使用多少比例的收集氣體用於推力。該概念理論上適用於任何排氣速度明顯高於軌道速度的天體。

間歇執行 - 以從軌道上開採地球大氣為例。在 150 公里的高度，密度為 3 x 10^-9 kg/m³。相對於赤道的速度為 7800 m/s 的飛行器（比該高度的圓形軌道速度高 450 m/s）將遇到每平方米每秒 23.4 微克的空氣，並看到 0.18 N/m² 的阻力。如果剷鬥完全將氣流停止，則停滯壓力為 1350 Pa（0.2 psi）。真空泵將該氣體以更高的壓力抽入儲罐。假設剷鬥系統的質量為 100 kg/m²。因此，它將在 220,000 秒（2.6 天）內損失 400 m/s 的速度。軌道是橢圓形的，因此收集氣體只會在最低點處於全壓狀態，實際上需要大約 4 倍的時間。剷鬥將在這段時間內收集到每平方米 5.2 公斤的空氣。在阻力過大之前，剷鬥使用電推進器將近地點提高 50 公里，以停止收集。這需要 15 m/s 的速度。將遠地點再提高 400 m/s，然後將近地點降低 50 公里以開始收集迴圈，總共需要 465 m/s 的速度。在 50 km/s 的排氣速度下，執行速度變化將消耗 0.98 公斤的推進劑，我們假設這是收集到的空氣的一部分。這使我們獲得了 4.2 公斤的淨收集量。

連續執行 - 作為第二個例子，假設一種 VASIMR 型推進器，它使用 200 千瓦功率產生 5.7 牛頓的推力。太陽能電池板需要大約 13 x 42 米的大小，分成 4 個更小的 13x10.5 米的電池板，每個電池板都跟隨太陽。它們沿軌道方向縱向排列，推進器位於後部。假設推進器在採礦時不超過 30% 的時間工作，以留出最終提高軌道的餘量。因此，平均阻力可以是 1.7 牛頓。假設在前方有一個 13x10.5 米的剷鬥，它與太陽能電池板的尺寸相匹配，因此面積為 136.5 平方米。然後大氣密度必須為 2.3 x 10^-10 kg/m³，這發生在 200 公里的高度。剷鬥將收集 0.23 克/秒，推進器將消耗 0.034 克/秒，留下 0.196 克/秒（16.9 公斤/天）的淨收集量。最終，無論您使用什麼儲罐都已滿，採礦船會增加推力並爬升到一個軌道，在那裡它不會看到明顯的阻力。如果儲罐容納 5 噸空氣，採礦船可以在 300 天內收集到這些空氣。然後問題是採礦船的質量，以確定質量返回比率。

設計概念 - 示意圖展示了剷鬥採礦船的總體概念。剷鬥的形狀為雙曲線錐體，其功能類似於渦輪分子泵，透過使傳入的分子從其表面反彈來工作。一旦密度足夠高，空氣開始表現得像流體而不是單個原子，就會在窄端形成停滯區，傳統的真空泵可以從那裡收集。太陽能電池板安裝在剷鬥的後面，以避免增加阻力，並且在飛行器繞軌道執行時旋轉以跟隨太陽。在後部是儲罐和由電池板供電的電推進器。作為安全措施，飛行器應攜帶傳統的推進器和燃料，以便在主電推進器發生故障時提高軌道。

拖網捕魚 - 拖網捕魚是指捕魚方面的拖網捕魚，而不是指令人討厭的網際網路人物。在這個版本中，電推進器和主太陽能電池板位於更高的海拔，因此它們的尺寸和功率不受阻力限制。剷鬥、泵、用於為泵供電的小型太陽能電池板和儲罐透過纜繩被降低到最佳高度以收集空氣。如果與上面的連續執行版本大小相同，並且空載質量為 1 噸，那麼它至少需要在質心下方 1 公里，以便重力梯度（潮汐或差分重力）大於阻力。然後它將以平衡重力和阻力的傾斜角度懸掛。為了獲得足夠的壓差以降低剷鬥，纜繩將遠大於 1 公里。當儲罐滿時，纜繩被收回，儲罐被解除安裝或更換。這節省了用於上下攀爬剷鬥高度的推進劑，並允許更強大的推進器。它是否總體上具有優勢，需要更詳細的研究。

波音公司的 R.H. Reichel 在 1960 年代初研究了地面空氣鏟鬥。這項工作研究了剷鬥在連續流（110 公里高度）和自由分子流環境（160 公里高度）中的執行。還檢查了液化所需的功率以及散熱器面積要求。著名的邁克爾·米諾維奇也詳細研究了地面空氣鏟鬥。他於 1988 年獲得的“自供給空間推進系統”專利涉及一個剷鬥，該剷鬥將在工作流體環境中執行，並在 50 到 100 公里的高度之間執行。歐洲航天局的 GOCE 衛星在約 255 公里的高度的熱層執行，從 2009 年 3 月到 2013 年 11 月飛行。GOCE 使用離子推進系統來抵消阻力，並使用襟翼來保持穩定。

參考文獻

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採礦液體

一些天體，地球就是一個著名的例子，具有表面液體，而另一些天體則已知或懷疑具有地下液體。大量收集表面液體再次是一件簡單的事情，需要一臺泵和一個儲罐。如果液體是化合物的混合物，並且需要特定的成分，那麼需要應用物理或化學過程來分離所需的成分。

鑽入像木衛二這樣的擁有地下海洋的天體可能很困難，但進行地震測量就不一定了。在木衛二表面放置一個或多個地震探測器，然後用力敲擊它，比如使用發射探測器的上面級，觀察產生的振動。這就是我們瞭解地球內部以及探測地下資源的方式。像冰/水這樣的邊界往往會反射振動波（即聲音）。

木衛二可能會發生自然的振動，來自其自身的彎曲和運動（木衛二地震），但你無法確定這些振動，因此最好擁有自己的高速度撞擊產生的振動源。

開採氣態巨行星

氣態巨行星沒有固體表面。在特定的深度，它們的大氣逐漸變成超臨界流體，而不是一個明顯的層，因此需要不同的開採技術，特別是如果你想獲取更深層的物質。前面描述了掠奪式開採，用於從上層大氣中提取資源。浮力開採裝置是可行的，但很困難。氣態巨行星大氣通常主要由氫氣和氦氣組成，因此很難設計平均比這兩種最輕元素還輕的裝置。由於大氣層厚度和重力井深度，到達軌道也很困難。為了獲取更深層的物質，需要採用大規模且相當極端的方法，例如自旋加速、汽化和破壞。對於有人居住的恆星系統，不建議使用最後一種方法。

自旋加速

如果掠奪式開採的量不足，而浮力開採過於困難，這種方法會增加氣態巨行星通常較快的自轉速率，直到赤道接近軌道速度。這使得從赤道將物質移到軌道變得更容易。有多種技術可以提高自轉速率。

• 氣動減速動量傳遞： - 一輛飛船在繞氣態巨行星軌道執行時加速，然後透過在上層大氣中減速來釋放多餘的速度，從而向行星傳遞動量。
• 動能沉積： - 高速物體被引導至氣態巨行星的赤道區域，使平均自轉速率增加。根據撞擊速度，撞擊體可能會被行星吸收，或者物質可能會被踢出作為噴射物。
• 潮汐耦合： - 故意將一顆或多顆亞同步衛星放置在低軌道上，以引發潮汐，從而加速氣態巨行星的自轉。這種方法非常緩慢。
• 磁性耦合： - 如果氣態巨行星有磁場，可以與該磁場發生反應來加速核心自轉，最終加速整個行星的自轉。
• 反作用發動機： - 一個大型高速聚變發動機，由氣態巨行星大氣中的氫氣提供動力，安裝在上層大氣中，並透過大氣阻力加速自身，最終增加行星的自轉。為了實現這一功能，排氣羽流需要能夠離開行星。

汽化

這種方法涉及逆轉行星最初形成的方式。行星形成於氣體雲的坍縮，因為氣體雲會輻射掉能量。太陽系中最大的氣態巨行星木星，顯然在今天仍然在輻射掉多餘的熱量，這已經持續了 50 億年。如果將過量的太陽能指向一顆氣態巨行星，它會升溫並逆轉這一過程。假設外層比內部升溫更快，這會導致大氣膨脹到軌道速度和逃逸速度較低的區域。

機械破壞

這是一種蠻力方法。一種方法是用高速將一個大型物體引導至行星。另一種方法是收集氫氣、氘或氦-3，並用它們製造一個非常大的熱核裝置。最終結果是將大量物質拋入行星軌道或完全破壞行星。很難讓物質只進入軌道而不完全逃逸，這就是為什麼不建議在已有居住的系統中使用這種方法。

開採顆粒

恆星系統和星際區域包含低密度分佈的小型物體、粒子以及氣體。這些包括

• 直徑小於 6 米，質量小於 200 噸的小行星岩石，對於這種岩石來說，收集比開採更合適。
• 較小的粒子，例如產生黃道光的那些粒子，來自小行星和彗星碎片，尺寸範圍小至 10 微米。
• 來自恆星的被稱為恆星風的粒子流。
• 星際介質，由非常低密度的氣體和塵埃顆粒組成。
• 密度高於一般星際介質的星際氣體雲和星雲，但按照普通標準來說仍然是低密度。

開採這些型別材料的挑戰是它們的低密度，迫使收集大量物質才能收集到足夠的量。

開採恆星

如果一個文明的物質需求足夠大，它可能會考慮開採恆星本身，因為恆星包含了恆星系統中大部分的質量。恆星的溫度是進行這項工作的明顯困難。以下方法目前還處於推測階段。

人造紅巨星

M 型恆星的表面溫度低於最難熔化化合物的熔點，因此可以直接開採。如果你用反射鏡包圍一顆恆星，使大部分能量被困住，恆星的外層會升溫並膨脹，形成一個人造紅巨星。當膨脹到足夠大時，你可以掠奪物質並將其帶到其他地方使用。

等離子體噴流

人造磁場可以用來從恆星產生耀斑或噴流。當物質到達足夠遠的地方時，就會被收集起來並使用。

恆星潛水器

一顆足夠大的行星被放置在高度橢圓的軌道上，該軌道與一顆冷恆星相切。行星將在掠過過程中透過重力收集大氣。在其軌道的外側，它會冷卻下來並可以被開採，然後該過程重複進行。行星所需的尺寸必須足夠大，以便在近距離掠過過程中不會因蒸發而損失質量。

能量

在恆星附近的環境中存在著大量的能量來源。它們按可用功率和提取難易程度的順序排列如下。在恆星之間的黑暗區域中，重要的來源較少，但我們將考慮可用的資源。

太陽/恆星能量

光伏能源

光伏轉換一直是太空中最常用的能量提取方式。這是由於其簡單性、可擴充套件性、質量、可用性和耐用性。光伏電池直接產生電力，無需額外的轉換或裝置。它們通常以每瓦為單位，可以透過簡單地使用更多電池來擴充套件。它們每產生功率的質量相當低，而且不消耗燃料。除了大型天體的陰影區域外，它們可以全天候產生電力，並且在高輻射環境以外的操作壽命可達數十年。

用於太空的電池與在地球上使用的電池工作原理相同。但執行條件不同，因此它們有一些修改。陽光不會被大氣過濾，因此它們使用不同的光譜。必須考慮到溫度範圍、真空條件以及更高的紫外線和其他型別的輻射。如果需要更高的功率級別，並且從地球發射，則需要將多個電池的電池板摺疊起來發射，然後展開。航天器的指向需求通常與太陽的方向不同，因此電池板必須可以靈活調整以跟隨太陽。如果在大型天體的陰影中使用，則需要某種形式的電池或其他裝置儲存，或者必須暫時關閉電源。

軌道能量

軌道天體的勢能和動能是潛在的能量來源。