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發射飛船赴小行星取樣

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發射飛船赴小行星取樣

藝術示意圖：美國宇航局的OSIRIS-Rex飛船正準備對小行星進行取樣
發射飛船赴小行星取樣

這張照片上綜合了三顆曾經被飛船近距離拍攝的小行星圖像，從左到右分別是：Mathilde(60x 46公里)于1997年6月27日，由美國宇航局NEAR飛船拍攝；中間是小行星Gaspra，右邊則是Ida，這兩顆小行星分別由美國宇航局伽利略號飛船于1991年和1993年拍攝
據新浪科技：美國宇航局網站報道，在過去的100年間 ， 全球人口從15億爆炸性地增長到了今天超過70億，相應的，人類對資源的需求也出現了爆炸性的增長 。為了滿足這種增長的需求，除了要加強全社會的資源回收利用率之外，采礦業者們也必須前往一些前所未有的新疆域進行礦產資源的開發工作 ， 比如開發深海大洋海底的礦產資源等等 。
而在未來，只要經濟上和技術上的障礙被突破，小行星或許將會成為人類開發礦產資源的下一個目的地 。小行星是金屬 ， 巖石和塵埃的聚集體，有時候還含有一些冰和有機質，它們是太陽系在45億年前形成初期遺留下來的產物 。太陽系中有數以十萬計的小行星，大小迥異，從直徑數米到數百公里 。體型較小的小行星數量要遠遠多于大型的小行星，但即便是一顆非常小的 ， 僅相當于一幢房子那么大的小行星也將價值數百萬美元 。
不同種類的小行星
小行星有不同的種類，根據它們的光譜型 ， 一般可以劃分為3個不同的群：其中表面較暗，富含碳質的C型小行星擁有較高含量的水分，其中還含有一些含水的粘土礦物 。盡管這類小行星在目前看來具有的經濟價值有限，因為畢竟地球上的水資源還是異常豐富的 。但是當我們在未來決定向整個太陽系擴展人類的生存空間時 ， 這些小行星就將顯得尤其重要 。
【發射飛船赴小行星取樣】美國亞利桑那大學圖森分?？茖W家，美國宇航局計劃中的小行星采樣返回項目“OSIRIS-Rex”首席科學家丹特·羅萊塔(Dante Lauretta)表示：“在太空時代，水將成為維持生命的關鍵因素，而要想將大量的水體送入太空將耗資巨大 ?！彼f：“在目前的技術水平下 ， 要將大約1磅(約合0.9斤)重的載荷送入太空 ， 將需要花費數千美元 。因此我們希望能依賴原本就存在于太空中的水體來削減成本 。水的另一項重要功能是它可以被分解為氫氣和氧氣，而這將可以被用作火箭燃料，從而進一步支持開展小行星的太空探索項目 。最后 ， C型小行星的一大特點就是很多都含有很多有機質，包括很多有機碳，磷和其它可用作農業施肥的原料 ?！?br /> 表面反照率稍微高一些，也因此稍稍顯得明亮一些的一類小行星主要由巖石組成 。這就是S型小行星，這類小行星的水含量相對低一些，但就目前的眼光來看它們的經濟價值則更高，因為這類小行星的成分中往往含有很大比例的金屬，主要是鐵，鎳和鈷 。
不過 ， 羅萊塔表示：“別忘了一些含量較低卻不能被忽視的金屬種類，這些金屬盡管含量比較少 ， 但是其經濟價值不容小視，其中包括金，鉑以及銠 ?！彼f：“一顆小型的，直徑約10米的典型S型小行星含有650噸金屬，其中包括大約50公斤的稀有金屬 ， 如鉑和金 。”
根據羅萊塔的介紹，還有一類光譜型為M型(即金屬型)的小行星 ， 其金屬含量還要比一般的S型小行星高出10倍以上 。
OSIRIS-Rex探測器
不過先別高興的太早，因為就目前的技術水平而言，要想開展一次小行星開礦行動將會耗費數百萬億美元的巨額資金 ， 是得不償失的 。因此要想大幅度的削減成本，真正將這種想法變為現實，人們還將需要進一步的技術和思維創新 。
另外一項橫在面前的障礙則是我們對小行星所含礦產的勘探和分析的手段和經驗的匱乏 。所幸這樣的經驗正在逐漸累積的過程中——美國宇航局的“起源，光譜解譯，資源勘探，安全以及風化層探測器”(OSIRIS-REx)探測器項目即將實施，該項目計劃發射一艘飛船前往一顆小行星并采集其樣品返回地面 。
OSIRIS-Rex飛船按計劃將于2016年9月發射升空，將于2018年10月抵達小行星Bennu 。在抵達目的地之后探測器將對這顆小行星開展詳細考察 ， 隨后從其地表采集樣品并帶回地球 。本次探測計劃的主旨是科學性的——小行星被普遍認為是太陽系早期遺留的產物，記錄著有關太陽系誕生和演化的重要信息，對其樣品進行的分析將有望幫助加深我們對行星形成和生命起源等重要問題的認識 。除此之外探測器也將仔細測量太陽光對小行星Bennu的軌道造成的變化，這將幫助天文學家更好的了解太陽光壓對小行星軌道造成的影響，提升軌道預測精度，從而保護地球免遭小天體撞擊的風險 。
不過盡管本次探測計劃完全是出于科學目的，但羅萊塔認為 ， 在項目實施期間取得的經驗也將有助于未來小行星采礦計劃的實施，不管到時候具體是由美國宇航局還是由私營航天公司執行這樣的開發項目 。
在OSIRIS-Rex項目的取樣階段設計中，工程師們設置了三道保險——如果首次取樣嘗試失敗，項目組還將有另外兩次機會可以補救，至少可以采集60克的樣品，最多則可以采集2公斤 。
先進的探測儀器
為了順利達成目標，這艘飛船上裝備了可以從軌道上探測小行星地表成分的儀器 ， 這樣就可以讓地面控制小組有可能在進行首次取樣嘗試之前仔細挑選最理想的取樣地點 。
要想分析了解小行星地表某一區域成分的最好辦法之一就是分析它反射的光 。不同礦物成分會在光譜中顯示不同的吸收，反射或輻射特征 。使用專門的儀器設備，科學家們將有能力從光譜信號中識別不同的地表礦物成分 。
另外，物質對光波的吸收和輻射所涵蓋的波段要遠遠超出我們肉眼能夠覺察的范圍，因此OSIRIS-Rex飛船上搭載了3臺不同的光譜儀 ， 波段完整涵蓋了從X射線，可見光一直到紅外線的范圍 。
OSIRIS-Rex飛船的可見光和紅外光光譜儀(OVIRS)顧名思義，工作波段位于可見光和近紅外波段 。人類肉眼無法看到紅外線 ， 但是我們可以以熱的形式感覺到它 。這臺光譜儀將有能力探測到有機化合物成分，以及其它一部分礦物和化學成分 。有機物中富含碳，科學家們對此特別敏感，因為這是組成生命所需的關鍵組成成分 。科學組還打算讓飛船在某個富含有機物的區域嘗試進行取樣，從而得以開展有關早期太陽系有機化學方面的研究，從而幫助揭開地球生命的起源之謎 。羅萊塔表示：“OVIRS將幫助我們確認小行星表面有機化合物的分布狀況，并據此引導取樣選址 。”
而另一臺儀器：OSIRIS-Rex 熱輻射光譜儀(OTES)則更深地進入了紅外光的領域，它將有能力探查小行星Bennu地表的礦物種類并測量小行星的溫度分布 。尤其是這臺儀器有能力識別粘土礦物的信號，這樣科學家們便可以據此繪制出小行星地表富水礦物的分布圖 。在地球上，海灘的沙子在陽光暴曬下很快就會升溫，而當太陽落山后則迅速冷，而相比之下 ， 人行道在早晨陽光下升溫的速度就要慢得多，但是晚上太陽落山后冷卻的速度也要慢得多 。同樣的，通過紅外波段測量小行星地表不同區域在白天和夜晚的升溫和降溫速度快慢，我們將可以了解其地表物質組成的很多有用信息 。
另外一臺攜帶的儀器是“風化層X射線成像光譜儀” ， 這臺儀器將測量小行星的向陽面上在陽光照射下微弱的X射線閃光，用這種方法可以測量一些元素，如鐵，硅 ， 硫和鎂等的豐度 。
OVIRS 和OTES 兩臺儀器將會協同工作，確定太陽光對小行星Bennu的軌道產生的影響 。這種效應在天文上被稱作“雅科夫斯基效應”，這是小行星的表面在吸收和輻射熱量時對小行星本身產生的微弱推動力 。這種力雖然極其微弱，但在漫長的時間尺度下仍將會對小天體的軌道產生影響 。
OVIRS設備將測量小行星Bennu地表的反照率 。由于照射到小行星地表的陽光只有兩種結果，要么被反射 ， 要么就是被吸收 。因此這樣的測量數據將幫助科學家們計算有多少陽光被小行星表面吸收并用于隨后的熱輻射過程 。與此同時，OTES設備則將測量小行星的全球溫度分布圖，查看哪個區域的熱輻射量最大，這將給出雅可夫斯基效應對小行星本體產生推進力的方向 。
不過，通過這些光譜學方法探測到的小行星地表礦物化學成分分布有一個嚴重的局限性，那就是它無法了解更深層次上的物質組成，其探測的地表深度僅有大約1.5毫米左右 。而小行星的物質組成很有可能存在垂直方向上的變化，因此飛船相應設計了能獲取一定深度上樣品的采樣機制：向小行星地表噴射氮氣揚起地表物質，迫使其進入飛船的樣品采集艙 。
羅萊塔表示：“采用這種方法 ， 我們將可以采集到地表之下5~6厘米深的物質樣品 。”盡管這一深度聽上去仍然很淺，但這已經比光譜方法獲得的數據在垂向深度上提升了大約200倍 。
羅萊塔說：“另外，盡管光譜學專家會告訴我們說他們知道那些成分是什么了，但是最后我們仍然需要去實際取樣驗證這些結果 。我們將會將樣品取回來送入實驗室進行分析，然后看看光譜學家們得到的結果究竟有多靠譜 ?！?br /> 探測器攜帶的其它設備也將幫助進一步修正通過光譜方法取得的礦物分布圖 。根據OVIRS數據制作的化學分布圖上最小的分辨率大約將會是20米左右，而OTES礦物學數據的分辨率為40米左右 。而探測器搭載的彩色相機則可以獲得比這高得多的圖像分辨率 ， 精度優于1米 ， 因此在礦物和化學分布圖中不同區域的顏色不同極可能就表示這兩處區域的成分之間存在差異 。
和雷達相似，激光高度計會發射激光束并接收其從目標地表反射回的信號，這樣便可以建立起地表的高程圖像 。與此同時測量地表對激光的反射亮度也將幫助判斷其地表組成的物質成分，比如特別明亮的地表就很有可能是金屬含量較高的點 。
奠定基礎
盡管此次探測任務是一次純粹的科學考察任務，但是其中所用到的設備和技術都將為未來實際開展小行星采礦項目奠定基礎 。
羅萊塔表示：“本次任務將是一次技術驗證，那就是——我們是否有能力將一艘飛船送往一顆小行星，在那里采集樣品并送回地球？”他說：“接下來 ， 人們就要考慮經濟上的可行性 。”
他說：“未來你可能會希望增添到飛船設備庫中的可能就是快速進行化學分析的設備，這樣你便可以迅速判斷某處的礦物含量 。目前我們還沒有辦法承擔將這種設備安裝到飛船上的花費 。那么除此之外，我們現在飛船上所搭載的便已經是任何一個想要策劃一次小行星飛行任務的人所需要的全套設備了 。”
OSIRIS-Rex項目由美國亞利桑那大學領銜 。美國宇航局戈達德空間飛行中心提供任務的整體管理，系統工程，安全以及保障工作 。洛克希德·馬丁公司空間系統分公司負責飛船本體的建造工作 。OSIRIS-Rex是美國宇航局新地平線計劃旗下第三個得到實施的項目 。(eeook.com)