月球探测衍生拓展的地月空间概念,是指地球/月球引力范围内、地球同步轨道以外延伸至月球表面,包括地月平动点在内的宇宙空间,具有丰富的物质、能源、位置、环境等战略资源。地月空间是人类开启星际征程的必经之路,随着颠覆性航天技术的发展和应用,这里蕴藏的无限发展机遇,正引发许多国家竞相发展。

战略意义前景广阔

月球是距离地球最近的天体,是构建航天运输体系后的地外资源聚散区、中转站,也是人类走向更远深空的“跳板”。人类探索未知世界的渴望是月球探测的原动力,新能源、新材料、新技术则为人类重返月球插上了腾飞的翅膀。科学家们认为,随着人工智能、数字孪生、脑机接口等在地月空间的综合应用,人们有朝一日必将有能力在地球感知宇宙,这不仅能够拓展人类的认知范围,也将有利于增进人类福祉、推动文明进步。

这一轮登月热潮以认识和利用月球资源作为目标,是对月球建设和地月空间工业化的实地勘察。而地月空间则是原创性、颠覆性科技创新的重要“发源地”,正在酝酿基础科学和关键技术重大突破。探索开发更加广袤的地月空间已成为全人类的共同梦想,“大航天”时代的未来,充满机遇和挑战。

20世纪以来,世界主要航天国家和国际组织已纷纷制定了地月空间发展战略和任务规划,布局开发利用频率、轨道等战略资源。去年以来,俄罗斯、印度、美国、日本等陆续实施6次月球着陆探测任务,传统强国与新兴国家扎堆月球南极地区。特别是美国,正充分调动政府、国际伙伴、商业航天等力量,全力推进“阿尔忒弥斯”计划,试图重返月球,巩固其在航空航天领域的领先地位。

对我国而言,积极探索地月空间,对牵引培育新质生产力具有战略意义,将为经济社会可持续发展提供不竭动能。从基础条件和研发能力角度来看,中国有望在月球资源利用层面实现创新发展和国际引领,提升我国在航天领域的国际地位。同时,月球资源领域有望创造一系列重大科学成果,为人类认识月球、认识宇宙提供新机遇,引领我国在空间科学前沿探索和基础性研究领域进入世界先进行列。

资源利用潜力无限

伴随着人类认知边界从陆、海、空向天际拓展,曾经存在于科幻世界里的卫星互联网、太空旅游、太空育种等已经渐成现实。可重复航天运输器、空间互联网等可以化天涯为咫尺,人工智能叠加能源技术变革正在构筑无人化技术优势,人机协同作业拉近时空距离,未来有望开发地月空间资源并反哺地球。

资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息的总称,人类的生存和发展离不开对各类资源的开发利用。与山脉河流、土地矿藏等地球资源相比,月球资源有不同于地球资源的特性。

学界一般将月球资源大致归结为物质资源、位置资源和环境资源三类。有形的物质资源包括月球矿产资源、水冰资源、挥发分资源和月壤资源等,可就地取材用于直接支撑月球探测活动、月面工程建造等。无形的位置资源来自月球天然特有的位置,比如在月球布放的天文观测设备,可以开展地球及近地轨道无法展开的大型科学探测活动。环境资源,则是指可利用月球高真空、低重力、大温差等天然环境,支持地球环境难以完成的高精尖科学试验、工程制造等。

当前,世界主要航天国家正在对月球水冰、关键矿产资源的赋存状态、分布规律等进行详查,并开展月球水冰提取利用、矿产资源冶炼、原位制造与建造等技术验证,探索实现规模化物资制备和月面原位建造。例如,科学家发现月球具有丰富的氦-3(一种理想的核聚变燃料)、稀有金属等矿产资源,对缓解全球能源危机、服务人类文明的可持续发展具有重要意义。随着关键技术的攻关突破和设备研制,辅助以机器人月球开采、转运和低成本月地运返,将拉动重型火箭、空间采矿、月地返回、人工智能等技术产业群的创新发展。

除月球自身资源以外,地月空间范围的频率、轨道、能源以及天地交通资源等,都蕴含着再度深刻改变地球生产生活方式的可能性。我们不妨把全球关注的重型运载火箭比喻为星际“帆船”,通信导航遥感网络体系类似于“指南针”,可以想象,在地月空间广袤的“星辰大海”中,蕴藏着多少未知的资源!

认识地月空间资源的广泛性,需要我们打破思维惯性——月球探测并不只为形成空间移民的能力,地月空间作为人类基于现有科技水平可望而又可即的空间,是我们理解宇宙、试验新技术、驶向星辰大海的“演习场”,为人类打开地理空间“天窗”,能立足长远,解决地球能源危机、资源匮乏等制约性问题,为社会发展注入新动力。

地月经济并不遥远

利用地月空间频率、轨道资源构建面向未来的通信导航服务通道,将快速降低月球及以远深空探测门槛,推动地月空间资源开发产业化发展。未来并不遥远,基于现有技术,很多应用场景并不难想象。随着网络深度融合、信息无缝传输,地月产业联动发展形成经济生态将从科幻走进现实。

举例来说,当前无人化智能工厂已经实现,跨星际迁移产业基地的技术障碍大幅减少;基于月壤原位材料开展基础设施建设,已有3D打印、远程智能机械作业等关键技术铺垫;假如未来火箭实现智能化“加油”,可立足月面或者地月平动点建立综合补给站,大大节省星际航行的成本。通过虚拟现实技术畅游地月空间、远程遥控月面机器人作业建设月球基地、开展科研试验活动等,都在考虑和规划中。国内外多家机构已对地月经济规模进行了预测,2046年相关产业规模高达万亿美元。

我们以月球采矿场景为例,基于环月轨道星座高精度导航定位、智能管控和低成本可重复火箭运输等技术,建立月球采矿全自动产线,形成月基无人勘探、智能挖掘封装、地月往返运输、机器人+有人巡检维护的超级系统。再如,由于月球真空环境下太阳能发电效率更高,科学家设想在月球建设高能光伏电站,再以微波形式传输,反哺地球。

而月球独特的环境,也让人们看到更多应用的可能。比如,出于能源价格与散热考虑,大规模数据中心正在向低电价、低温度地区迁移布局,但我们对算力的需求仍在持续高速增长。那么,能不能将数据中心建在月球?月球有零成本极低温环境,且太阳能资源丰富。如果我们能够突破月球超低温储能、太阳能电池原位制造、大规模量子数据传输等技术的突破,那么,在月球建设太阳能数据中心,将是很好的解决办法。

颠覆性技术助力梦想成真

人类因梦想而伟大。现代航天技术实现了曾经遥不可及的飞天梦想,丰富了千行百业基于通信、导航、遥感的应用生态。地月空间是科技发展的重要策源地,是推动科技进步和可持续太空探索的新引擎,将牵引和催生科技创新产出。颠覆性技术有潜力改变行业规则和发展业态,必将引发新一轮航天变革以至人类生产生活巨变。

在天地交通方面,美国已成功研制可重复使用大推力火箭,大幅降低发射成本、缩短发射周期,使大规模、低成本进出地月空间成为可能。我国火箭发动机研制取得重大突破,亚洲最大推力700吨液体火箭发动机试验台试车成功并正式投入工程应用;可重复使用试验航天器飞行276天后成功着陆,重复使用航天器技术取得重大突破;成功研发可重复使用的不锈钢火箭,以低成本的液氧甲烷为燃料,后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。可以期待,天地交通成本的下降,将催生颠覆性技术成果的井喷式增长。

在月球探测和地月空间探索方面,我国早有系统规划。目前,我国探月工程取得了绕月飞行、月面软着陆、月面巡视、月壤自动采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移及月球科学研究等一系列成就。嫦娥五号月球样品分析已取得“嫦娥石”等重大发现,嫦娥六号即将实现全人类首次月背采样返回,为认识、开发月球资源奠定坚实的基础。目前,中国探月工程四期任务和载人登月任务已开始实施,月面资源的勘查、开发和利用是未来月球探测的核心任务之一。

我国探月工程顺利实施,不仅积累了丰富经验和技术基础,也具备广泛国际号召力和威望。我国秉持人类命运共同体理念,继续高举和平利用外太空旗帜,正在论证与国际社会共同开展国际月球科研站大科学工程建设,统筹衔接已实施及规划的无人月球探测和载人登月任务,统筹国内任务和国际合作任务等方面融合发展,实现最大程度的多系统、多设施兼容、可复用可共用等,真正共享全人类智慧、践行人类命运共同体理念。

月球资源的有序开发与高效利用,是撬动国际月球科研站可持续发展的战略杠杆,促进科研、生产、利用的融合发展,为月球探测、行星探测等重大任务提供支撑,形成重大科学发现和重要科技产品。而通过国际月球科研站的先行先试,开放创新地月空间科学、技术、经济合作模式,论证建设可商业化的能源、通信、导航、航天运输等基础设施,吸引多方投资打造地月经济圈,形成先进技术探索未知领域、战略资源赋能经济循环的发展新模式。

(作者:陆文强 张哲 付中梁,分别系深空探测实验室工程师、研究员、高级工程师)

编辑:张圣琪
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