太空采矿：哪种类型的挖掘机最适合小行星？

在地球上，挖地是一件司空见惯的事，我们几乎从不认为这是一件难事。但在太空中这样做是一个完全不同的命题。在一些更大的星球上，比如月球或火星，挖矿的方式与地球上的挖矿方式大致相似。但它们的“毫重力”会使我们在太阳系数百万颗小行星上的挖掘体验大不相同。考虑到小行星采矿的潜在经济影响，已经有很多关于如何在小行星上挖掘的建议方法，亚利桑那大学的一个团队最近发表了一系列关于使用定制斗轮进行挖掘的最新论文。

斗轮设计最近似乎在太空采矿中越来越受欢迎。根据NASA最新的年度报告，ISRU试点挖掘机（IPEx）采用了类似的设计，并已提升至5级技术就绪水平。然而，它是为在月球上使用而设计的，月球的引力比小行星大得多，小行星上有更多有价值的物质。

根据该论文，最低10%的小行星比月球含有更高浓度的铂族金属，如钯和锇。它们也更容易“获得能源”，这意味着你只需要月球5%左右的delta-V，就可以从正在进行采矿的小行星上获取资源。由于delta-V相当于燃料重量，因此直接相当于成本，因此较低的delta-V使在这些微小物体上采矿在经济上更具吸引力。

但他们也面临着自己的工程挑战。大多数小行星被称为“碎石堆”，这意味着它们是由岩石团块组成的，无论它们的质量给予它们的最小重力如何，它们都只是简单地粘在一起。即使是富含金属的m型小行星，比如灵神星，也可能主要由这些小块物质组成。这样的环境不适合传统的采矿技术。

在Jekan Thangavelautham博士的带领下，亚利桑那大学的研究人员采用了一种快速迭代的方法来解决这个问题。他们开发了一个模型，代表小行星表面预期的作用力，并将这些作用力应用于不同斗轮设计的模型，选择最适合环境的特征。

他们还采取了下一步措施，开始3D打印不同设计的原型。他们打算用这些打印的原型来收集挖掘力学的物理数据;然而，要做到这一点，他们需要真实的小行星风化层模拟材料。目前还没有，所以他们决定自己做一个。聚苯乙烯泡沫塑料和3D打印树脂的组合似乎做到了这一点，但是他们还不能制造足够的模拟物来彻底测试这篇论文的计划测试组件。

这篇论文的另一个重要发现是，小行星本身的不同特性会对设计中两个最重要的参数 —— 铲斗体积和切割速度（即铲斗移动的速度）产生影响。一些特征，如资源集中度，对这两个参数的影响很小。然而，其他明显的因素，如密度，有重大影响。

研究小组发现，在这种环境下，大容量、缓慢移动的铲斗是理想的。然而，部分考虑因素是轨道支持飞船将被挖掘出来的材料填满的速度有多快。为了增加物料从桶轮到存储系统的吞吐量时间，研究人员建议使用螺旋给料机，这也将使铲斗能够连续运行 —— 考虑到系统的经济限制，这是另一个必要条件。

此外，他们发现爪子是抓住风化层所必需的。一个可扩展的油管系统也是“最好有”，尽管如果每个轮子有很多铲斗，它就变得更加必要。

论文中包含了这项工作的细节，研究人员在7月底的ASCEND会议上发表了相关的报告。虽然这些里程碑是朝着正确方向迈出的一步，但这些技术仍然处于相对较低的准备水平。然而，如果人类利用太阳系中一些最容易获得的资源，它们最终将是需要的。随着我们向其他世界的扩张，铲斗挖掘机降落在小行星上并开始工作只是时间问题。