太空资源的开发
第一节 太空资源的开发
开发太空资源需要载人航天
自20世纪60年代初宇航员加加林进入太空，揭开世界载人航天史崭新篇章以来，载人航天取得了巨大发展，耗费了巨大的人力、物力、财力，但人类并没有从载人航天得到多少回报。那么，为什么要发展载人航天呢?这是因为:要开发利用空间资源，就需要发展载人航天。
人类为了社会进步和生活，总是不断扩大活动的领域，探索新的理论和方法，开发和利用更多的资源。这是包括空间科学和技术在内的高新技术发展的动力。外层空间(简称空间，又称太空)是人类扩大其活动范围的最新疆域，它广阔无垠，拥有丰富的空间资源。空间资源可分为两类:一类是天然资源，如高真空、太阳能、月球、微小行星等;另一类是因航天器在轨道上运行而自然产生的资源，如航天器对于地球表面的高位置和高速度，航天器的微重力环境等。空间资源也可以分为信息类、能源类和物质类三类，这三类资源的开发都会给人类带来巨大的利益。
40年来，航天技术为开发利用空间资源所作的努力，只是在开发航天器高位置和高速度资源以获取、传输和转发信息方面取得了明显成就，获得了巨大的利益，例如通信卫星、遥感卫星的广泛应用。开发这类信息资源，在现有技术条件下可以全部自动化，不需要人在轨参与，不受载人航天的制约。
茫茫太空资源丰富
进一步开发空间能源和物质资源，如利用航天器微重力环境制备高级材料和高级药品;在空间获取能源和建立电站等，由于获取、加工、运输和存储的主要是物质或太阳能，因此采用的方法和过程，所需的装备、设备和设施要比用于信息类的大和复杂得多。在现在和可预见的将来，还很难做到全部或大部分自动化。这就需要人在空间现场参与工作，以解决那些靠机器不能全解决、难以解决或代价过于昂贵的各种问题。如开发月球资源，就需要人进驻月球长时间地参与工作。
需要人在空间现场直接参与工作，必须为人创造一个可以在空间长期生活和工作的条件，这就需要发展载人航天。
此外，要奠定天基航天的基础，也要发展载人航天。
太阳能资源
太阳辐射是对人类至关重要的一种能源。在太空中，太阳辐射的时间比地球上长的多。在地球静止轨道上，一年只有春分和秋分前后一段时间里，每天出现一次阴影，时间最长不超过72分钟，一年累计不超过4天，也就是一年中有99%的时间是白天。在地面上，有一半的时间属于夜晚，白天除正午外太阳是斜射的。在太空，每天能接收到的太阳能的密度大约是地球上的5倍。另外太空是一个超洁净的环境，太阳电池的表面不会粘上任何灰尘，无须维护。太空中，物体处于失重状态，尽管太阳能电池面积很大，但是受到的力却很小，因此卫星可以做得较小。
在1979年，美国宇航局就提出了关于空间太阳电站的设想。后因技术、经济等方面的原因没有实施。在20世纪90年代中期，美国宇航局组织专家展开了新一轮的研究论证，目前看好的方案有“太阳塔”和“太硬盘”两种。
在“太阳塔”方案中，太阳电池不再是铺设在一整块巨大的矩形平板上，而是由数十个到数百个圆盘形发电阵组成。每个发电阵的直径为50～100米。根据总发电量的要求配置发电阵的数目。发出的电流通过超导材料制成的中央电缆传输到发射天线，天线直径为260米。这种方案的最大特点在于它的高度模块化，适于批量生产，便于组装，有利于未来电站规模的扩展。
“太硬盘”方案采取直径3～6千米的高效薄膜太阳电池阵发电，保持自旋稳定，并对太阳定向，产生的电流汇集到盘极，再传输到发射天线。
空间太阳电站的关键技术包括高转换效率的太阳电池、低成本的地面与轨道间的运输、高效微波发生器和微波能量的接受技术。
土卫六上资源丰富
美国宇航局科学家发布“卡西尼”飞船探测结果称，土星最大的一颗卫星——土卫六——表面湖海中天然气和其他液态碳氢化合物数量惊人，是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。
碳氢化合物从土卫六上空大量落下，汇集了不少沉淀物，形成了湖泊和沙丘。科学家对此早有所知，但了解到液态碳氢化合物的精确数量尚属首次。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室科学家、“卡西尼”飞船雷达小组成员拉尔夫·劳伦斯说:“土卫六表面覆盖着含碳物质——这好比一个加工有机化学物的大工厂。数量如此惊人的碳物质是了解土卫六地质和气候历史的重要窗口。”
土卫六的温度只有－179℃，被认为不适合生命生存。液态碳氢化合物不是以水，而是以甲烷和乙烷的形式存在于土卫六的表面。tholin(土卫六的低层大气中包含的有机浮质)可能构成了土卫六表面的沙丘。“tholin”一词是由卡尔·萨根于1979年发明，用于描述生命起源前化学特征核心的复杂有机分子。
“卡西尼”飞船使用雷达设备对土卫六表面20%的区域进行了观测。据美宇航局声明称，“卡西尼”飞船发现了数百个湖海，其中一些的液态碳氢化合物总量估计超过地球石油和天然气储量，而这样的湖海有几十个之多。土卫六赤道沿线的黑色沙丘的有机物含量是地球煤炭储量的数百倍。
据美宇航局的声明称，地球已探明天然气储量为1300亿吨，是足够美国全国每年用于居民供暖、冷气和照明的总能量300倍。在土卫六数十个湖泊中，每个以甲烷和乙烷形式存在的能量相当于地球已探明的天然气储量。
科学家通过对地球上的湖泊做出大体的猜测，估算出土卫六表面湖泊深度。他们参照了地球上湖泊分布的平均面积和深度，并考虑了诸如山川等周围地形的状况。在地球上，湖泊深度常常是附近地形高度的十分之一。劳伦斯说:“我们还知道一些湖泊深约10米，因为它们在雷达屏幕上漆黑一片。如果湖水很浅，我们可能会看到湖底，但我们没有。”
土卫六表面液体数量的问题之所以非常重要，是因为甲烷是土卫六和地球上重要的温室气体，只不过土卫六表面的甲烷数量更多。如果在土卫六上观测到的所有液体全部是甲烷，那么它只会持续数百万年，原因在于甲烷会散发到土卫六大气，分解并流入太空。如果甲烷消耗尽，土卫六就会变得越来越冷。
科学家认为，甲烷在冰火山喷发时从内部喷涌而出，源源不断注入土卫六大气，倘若事实确实如此，那么土卫六表面的甲烷数量和温度在过去可能会表现出急剧波动的态势。劳伦斯说:“碳对于生命而言极为重要，深入了解像土卫六之类环境的化学活动的复杂性，对于了解整个宇宙的生命起源至关重要。”
土卫六的地貌
植物的太空发育
前苏联3名宇航员在前苏联的“礼炮—7”号空间站上连续飞了237天，证明了人能够长期在太空中工作和生活。1995年3月，俄罗斯宇航员波利亚科夫在“和平”号空间站又创造了单次连续太空飞行438天的新纪录，进一步证明了人能够长期在太空中工作和生活。那么，在地球上陪伴人类的成千上万种植物也能在太空发育生长吗?这是自第一艘宇宙飞船上天遨游以来，科学家们致力研究的一个课题。经过多年的实验，现在太空已能长出绿草鲜花，栽培出蔬菜和水果，为荒漠的宇宙空间增添了生命的色彩。
早在20世纪60年代初，随着美、苏两国载人航天的兴起，就开始了太空栽培植物的实验计划。最初是把小球藻、洋葱、黄瓜、胡萝卜、小麦等的种子送上太空，研究宇宙空间的各种因素对植物生长的作用。
在美国航天飞机的历次飞行中，几乎没有停止过太空栽种植物的实验。1983年11月，“哥伦比亚”号航天飞机的欧洲“太空实验室”专门开辟了一所轨道植物园。宇航员在飞行中对8棵正在发芽的向日葵进行了观察，拍摄了它在失重条件下的生长情况。
1984年4月，“挑战者”号航天飞机把一个盛有1400万粒植物种子的实验装置带上太空，其中包括蔬菜、水果、花卉等120个品种。这个装置在太空轨道上运行10个月之后，1985年由宇航员带回地面，以研究太空失重状态对植物萌芽的影响;了解宇宙辐射是否能改变这些植物的遗传密码，从而培育出一些更有价值的新品种。
前苏联发射的太空轨道空间站是进行太空植物栽培实验的理想场所。宇航员在装有人工土壤的容器里播种靠自动装置供给植物生长所需的水、阳光和空气。在实验中，曾发现在太空栽培的植物生长紊乱，有时根部冒出土壤;有时枝杆弯曲，甚至盛开的兰花很快凋落，豌豆尚未开花就已枯死。但经过多次实验，采取各种方法解决太阳辐射、失重环境的影响，许多植物种子在太空绽出了新芽，长出了新叶，甚至开花结籽。1978年，前苏联两名宇航员在“礼炮—6”号轨道站上品尝了他们在太空亲手栽种的洋葱头;1979年，“礼炮—6”号上的兰花长出了新枝绿叶。在他们的太空轨道空间站上出现了一块名叫“绿洲”的花圃菜园，使得广袤的宇宙空间充满生机盎然的景象。
最引人注目的是他们在“礼炮—7”号上度过了漫长的211个昼夜，这对进行宇宙植物生长的实验是十分有利的。他们在轨道站上播种阿拉伯草，经过56天的栽培，终于开花结籽，实现了植物在太空从播种到收获的全过程。当前苏联女宇航员萨维茨卡娅乘坐宇宙飞船登上“礼炮—7”号轨道空间站时，在站上工作的两名宇航员向她献上了一束“宇宙鲜花”。萨维茨卡娅还帮他们收获了200多粒花籽，并带回地球。科学家们认为，宇宙植物的出现，为人类打开宇宙空间的大门又向前迈进了一步。
国际空间站培育的太空植物
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太空“修炼”种子
1996年11月8日，北京卫星制造厂热闹非凡。来自农业部、中科院等8个有关部门的客人，在这里迎来了来自太空的宠儿——我国第17颗返回式卫星上搭载的种子。
10月20日，甘肃酒泉卫星发射中心的专家们目送着他们的“宝贝”——植物种子，在地动山摇的轰鸣声中开始太空“修炼”之旅。11月4日，卫星里的种子在太空遨游了15天，绕地球239圈后，回到了祖国的怀抱。今后，它将在农业科学家的呵护下，在祖国的肥沃土壤里繁衍生长。
人类正面临着来自粮食短缺的挑战，在跨进新世纪的时候，关于粮食的话题一直沸沸扬扬。
世界上一切生物都在发生着变化，农作物种子也不例外，它们长期生长在一个环境中，有的逐渐退化。多年来，我国一代又一代农业科学家，面对着黄土地、黑土地苦苦探索，追寻优良品种，突然有一天，有那么几个人抬起了头，把视线投向了茫茫太空。
因为他们在追求中感到，微重力、高真空、强宇宙射线辐射等条件，都直接影响着生物的生存、生长、衰老、变异，这些都是引起种子变异所必不可少的条件，而这种条件地面却很难达到。
为了探索空间条件对植物种子的诱变作用，1987年8月5日，在我国发射的第9颗返回式卫星上，中国科学院遗传所研究员首次将辣椒、小麦、水稻等一批种子搭载升空，开始了我国太空育种的有益尝试。
至今，我国已先后8次利用返回式卫星进行了51种植物，300多个品种的太空培育试验。
经过太空“修炼”的种子，是否已成“正果”?专家们发现，经过6年的种植、培育、选择和测定，经过搭载的“农垦58”水稻纯系种子，不仅穗长、粒大，有的一株上竟长出3～4穗，亩产可达600千克以上。在黑龙江省进行试种的青椒种子，经过几个回合的培养，已产生长势强、高产优质、抗病性强的新品种。9月，实验田里其他青椒枝叶脱落，只剩下枝干，而经太空“修炼”过的青椒后代，却枝繁叶茂，生机勃勃。
专家认为，空间科学向农业育种的渗透，有可能发展成为空间诱变育种的一个新的边缘学科。
我国航天人算了一笔账，如果一颗卫星带300～400千克的种子，经过地面选育，可推广到1亿亩土地上种植，按亩产增加15%的保守计算，大约亩产可增加40千克，总产可增加40亿千克。这将是一项具有巨大经济效益和社会效益的事业。
肩负重任的太空动物园
为了了解和验证动物的太空习性，以便为人类在不久的将来到太空去生活和工作摸索出一些经验和根据，人们开始了宇宙动物学的研究，在宇宙飞船上建立了动物实验室，人们亲切地称它为“太空动物园”。
现在，让我们也来了解一些动物在太空生活的情况吧。
科学家把几百只苍蝇分放在太空动物园的3个角落里，这3个角落的重力场各不相同:一个模拟地面，一个2倍于地面，再一个5倍于地面。结果发现，苍蝇们都喜欢到模拟地面重力的那个角落产卵生殖;在2倍于地面重力场的地方，苍蝇都萎靡不振，出现病态;而在5倍于地面重力场处的苍蝇，都很快地死去了。
太空动物园里还装有6对雄雌老鼠和30只独身雄鼠，分别让它们在模拟地面和2倍、4倍于地面重力场的环境中生活。结果发现:老鼠的抵抗力大于苍蝇，任何环境下的老鼠都没死亡，不过，大于地面重力环境里的老鼠都显得惊躁不安，并且在7天以后，它们的肌肉萎缩了，病得很严重。回到地面后解剖检查得知，它们的肌肉中黏多糖成分下降，胃壁细胞中的细胞质密度变小，胃中磷酸酶的活性增大。而在模拟地面重力环境下的老鼠，不但健康如常，而且有两对还在太空中“成亲”、交配、怀孕和分娩，生下的小老鼠在回到地面后还能健康地活着。其他环境下的太空鼠都没有生育。
太空动物园里还养了一群黄蜂，在模拟地面重力场中生活的黄蜂筑巢和地面上基本一致，但在2倍于地面重力场下的黄蜂筑巢就与前者明显不同——沿着重力加大的方向巢壁加厚，以对抗重力加大产生的影响。这说明像黄蜂这样的低等动物，也会在太空特定环境中作出反应以求生存。
在太空动物园的2倍地面重力的区域里，还生活着一群小鸡。它们在那儿生活了18个星期后，回到地面时体重普遍下降，膝盖骨明显变形，肌丝受到损伤。
此外，太空动物园中的猫、狗、猴的抵抗力都较好，猴子可以安全返回而不得什么“太空病”;狗也基本健康而归;相比之下，猫的身体状况欠佳。可以认为动物愈高等，自动调节适应太空变异环境的能力愈强。
在有鱼类和青蛙参加的太空失重状态实验中发现，鱼的耐失重能力比青蛙好，青蛙的耐失重能力比猴子好。这说明水生动物的耐失重能力一般比陆生动物好，而两栖类居中，原因尚待进一步研究。据推想，可能是水生动物的细胞组织结构较疏松、较轻盈，对重力变化敏感度小些。
在太空动物园里生活，可以改变动物的遗传性能。比如:在太空孵出的鳃足虫，到第三代都寿命不长。但草履虫的繁殖率却提高了4倍。据研究是太空辐射使遗传物质中的染色体发生变异的缘故。
奇特的太空制药厂
随着空间技术与航天事业的发展，科学家们开始看手建立太空制药厂。由于空间轨道不存在地心引力，因此，太空制药厂可以生产出某些地球上难以生产的药物。
从1960年到1969年，美国曾先后发射了3颗生物卫星，并在第二颗生物卫星上进行了“电泳试验”，专门用于分离蛋白质。1971年和1972年，“阿波罗14”号和“阿波罗16”号两艘载人宇宙飞船相继上天，经过一系列的空间电泳试验，终于获得成功。此后，在美国和前苏联联合发射的一颗卫星上，又进行了进一步的科学实验，结果分离出一种“尿激酶”，这就是人类在太空中生产的第一种药物。
尿激酶是由人尿或人类肾组织培养制得的，是一种新的特效活血栓药物，可消除由静脉炎和心脏病变等引起的血栓，并用于治疗血栓梗塞性疾病，以及因纤维蛋白沉淀引起的各种疾病。目前又进一步应用于人工脏器、脏器移植和显微外科手术等。此外，它还能增强免疫力，可激活杀灭肿瘤细胞的溶酶体，从而成为一种有效的辅助抗癌剂。
1985年，美国专家和制药厂商共同设计了第一家太空制药厂。该制药厂装在飞船舱内，其重量为2270千克，包括24个小车间。美国科学家认为这种生产方法，不仅产品具有无可比拟的高纯度，而且价格便宜。
目前宇宙制药厂已试制成功30多种基质。笫一个从事太空制药研究的美国专家吉姆·罗斯断言，在21世纪初将从太空中获得上百种药物，特别是以下几种产品:
抗血友病基质——其作用与尿激酶恰好相反。用常规所得到的该基质纯度很差，患者服用后往往引起变态反应，而太空药厂生产的这种基质则可以克服以上缺陷。
干扰素——这是一种糖蛋白，可抗病毒感染，也有一定的抗癌作用。太空制药厂所提供的这种产品纯度远比地面上生产的高。
抗胰蛋白酶α蛋白——这种药物对肺气肿和肺泡肿胀有效。
β细胞——这是胰腺分泌的一种细胞，是治疗糖尿病的良药。
愈合药——目前对严重的跌伤和烧伤治疗，都使用从动物胎儿中提取出的血清。但如果用控制真皮生长的蛋白质会更有效，它是由人体颌下腺分泌的。这种药物的纯度要求异常高，必须在太空中制造。
促进红细胞蛋白增生的蛋白质——这是一种治疗贫血的珍贵良药，并能减少输血量。这种药同样要求极高的纯度。
太空制药厂建成后，宇宙飞船每年必须至少两次向工厂提供能源补给。科学家们正研究不使用来自地球上的能源，而使它们与轨道上的太阳能中心相连接。
太空旅馆
广漠无垠的太空是神秘诱人的。千百年来，人们一直梦想登天遨游。
20世纪60年代以来，火箭、卫星、飞船，不断地探索开发外层空间的道路。30多年来，有成百人次乘宇宙飞船进入了太空。特别是美国“哥伦比亚”号航天飞机的试飞成功，为人们游览太空展现了广阔的前景。
但是，“哥伦比亚”号航天飞机连驾驶员在内，最多只能乘坐10个人。于是，设计师们决定设计能容纳更多人的“航天客机”，以实现人们登天旅行的夙愿。
航天客机内设有一个客舱，70多个座位分上下两层，有两部楼梯相连。航天客机发射时的超重现象，只有发射“阿波罗”飞船时超重的1/3，不会产生使人难以忍受的感觉。所以，一般身体健康的人，不必经过专门训练，就可以进入太空旅行。
伴随航天客机航线的不断延伸，必然要在途中设立太空旅馆，设计中的太空旅馆更是别具一格，主体是一个庞大环形室。环形室内部，设有居室、公园、运动场、游泳池、娱乐场、商店、医院、影剧院等。那里使用的交通工具是自行车和电动汽车。
在环形室主体外部，设置工业区和农业区。在工业区里，各类工厂生产太空旅馆工作人员和旅游者的生活必需品。在农业区里，则划分成若干个大大小小的区域，让它们之间的季节、时令、作物种类都穿插开来，以保证任何时候都有新鲜蔬菜和水果供应。
这里的阳光，是靠太阳光的照射、反射来的。在太空旅馆上设有一个巨大的天窗和反光镜，自行调节光的强度、照射时间和角度，从而形成分明的昼夜和四季的变化。
生活在太空旅馆里的人们，是从水的分解中获得氧气的，大片的植物光合作用提供给人类生存所必需的氧气。因此，除了水的原料需要从地球运送外，其余资源都可向月球开发。太空旅馆里的空气是新鲜的。因为它本身的结构是密封的，再加上太空旅馆是一个真正的电气化世界，一切动力都使用太阳能发的电，既没有燃烧煤、石油所引起的环境污染，也不会产生使人担心的核发电酿成的核辐射。
航天飞机的试飞成功，加快了人类建筑太空旅馆的步伐，航天飞机一次次穿梭似的来往于外层空间。在地球和月球之间的无引力区，航天飞机货舱里的巨型铁臂，按电脑系统的控制自动组装太空旅馆。
太空旅馆的设计、建设和使用，将为大规模太空城的建造，开辟一条更加宽广的道路。地球是人类的摇篮，但是，人类总不能永远生活在摇篮里啊!按照眼下地球人口的发展速度，到公元2035年，将达到100亿。那时，地球上人类的食物、能源和居住等都将发生巨大的困难。为了生存和发展，人类将不得不离开地球这个世代生活的大摇篮。
美国太空旅馆
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太空旅游
遨游太空一直是人们的梦想，2001年5月美国富翁蒂托的太空旅游为人类实现梦想打开了一个全新的领域。2002年5月5日，世界上第二位太空游客——南非的沙特尔沃斯，在国际空间站进行了10天的太空之旅后，乘俄罗斯的联盟TM—33飞船安全返回地面。继这两次成功的太空游之后，想圆太空旅游梦的人越来越多。众多的大明星、大富翁正在为成为第三名太空游客而努力。他们俩人的太空旅费都是2000万美元。
在众多角逐者中，曾执导过《泰坦尼克号》、《阿凡达》等多部著名影片的美国导演詹姆斯·卡梅隆从2001年就开始酝酿进入太空，还打算到国际空间站拍一部反映太空生活的资料片。为了能去太空一游，他已于2001年投入太空训练。
另一位候选人也是演艺圈的大腕，那就是美国摇滚巨星兰斯·巴斯，他也表示，准备成为游太空的第一艺人，一个公司宣布将出资赞助兰斯·巴斯前往国际空间站进行太空之旅，目前兰斯·巴斯已经完成了第一轮太空训练，现正与俄航空航天局进行飞行谈判。还有演艺圈的马克·伯内特，他本人曾是一名英国伞兵，并制作了热门电视连续剧《生存者》。他说他不仅想上太空，还要在太空上演《生存者》的片断。与此同时，有可能成为第三位太空游客的还有美国宇航局前官员加弗、拥有博士学位的波兰富豪菲莱谢克·查尔奈茨等，有关方面分析，决定谁将成行的关键因素将不再是金钱，而是身体素质和训练成绩。
继这些名人之后，太空旅游实际上已呈热门之势。近年来，富裕阶层的人们乐意花费大笔的金钱进行狩猎旅行。可以说，没有哪一项探险活动能在刺激程度上或花费方面比得上一次太空之旅。有关方面预计，随着第二位自费旅游者成功的太空之行，太空旅游可能成为21世纪最时尚的旅游项目。促使蒂托登上国际空间站的美国太空探险公司，2001 年6月正式推出“亚轨道宇宙飞行”旅游项目。该公司计划在2005年送出第一批游客，每人的费用大约为9.8万美元。目前。已经有上百人提出了申请，并缴纳了2万美元定金。2001年10月，日本近畿旅行社设立的首家“太空旅游俱乐部”正式开展各种活动，该俱乐部刚一正式募集会员，就有50多人报名参加。