小行星采矿:太空淘金?

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 6 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 这个科学项目需要一台可以上网的电脑。
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

摘要

你听说过金矿开采和煤矿开采,但想到开箱即用……或者说星球…… 小行星采矿怎么样?科学家,工程师和商界人士认为,小行星采矿是可行的,他们正处于长期计划的初期阶段,即在太空任务期间挖掘小行星获取宝贵的资源。你不想错过所有的乐趣;在这个科学项目中,您将为小行星采矿公司提出自己的科学计划。我们将通过向您介绍NASA用于跟踪小行星的庞大数据库来帮助您入门。该数据库将帮助您识别您的矿业公司的潜在目标小行星,以便您的公司可以致富。

目的

使用NASA小行星数据库识别可能是早期小行星采矿任务的可行目的地的小行星。

积分

Ben Finio,Ph.D.,Science Buddies

引用本页

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科学伙伴。”小行星采矿:太空淘金?” 科学伙伴,2018年4月19日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p038/astronomy/asteroid-mining-gold-rush-in-space。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2018年4月19日)。小行星采矿:太空淘金?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p038/astronomy/asteroid-mining-gold-rush-in-space


最后编辑日期:2018-04-19

简介

您是否曾经看过一部电影或玩过一个视频游戏,其中太空飞船大胆地飞过小行星领域,甚至登陆小行星?那些太空冒险远非科幻小说!无人驾驶的日本宇宙飞船Hayabusa实际上降落在一颗小行星上并将样品送回地球!现在,甚至还有一家名为Planetary Resources的创业公司,其目标是商业开采小行星资源和太空原材料(参见参考书目了解更多信息)。但是,如果小行星只是漂浮在太空中的大块岩石 – 要么是从太阳系的形成中遗留下来的,要么是在两个较大的物体(如行星,卫星甚至更大的小行星)碰撞时产生的大块断了 – 为什么有人想挖掘它们?小行星实际上包含许多潜在有用的材料;像铁这样的金属可以用于建筑,一些稀有金属如铂是非常有价值的,而水可以为宇航员提供潜在的饮用水源,或者转化为火箭燃料(首先将其分解)进入氢气和氧气)。

小行星的大小范围从几米(m)到1000千米(公里)不等,其中许多都有不规则的形状(见图1)。它们也分布在整个太阳系中 – 主要分布在火星和木星轨道之间的小行星带 – 尽管还有许多其他较小的小行星组(如图2所示)。

缩放不同小行星的图像
图1。几个不同小行星的比例图像。最大的4 Vesta,平均直径为525 km。最小的25143 Itokawa(在此图中几乎看不到)是椭圆形,长630米,宽250米。


太阳系内部小行星的分布
图2. 该图显示了我们太阳系内小行星的分布。行星围绕太阳的轨道用椭圆蓝线表示,小行星用点表示。大多数小行星聚集在”主带” (白点)中,但还有其他较小的小行星群(并非所有小行星都在此图像中标记).”外部” 太阳系中也有更多的小行星(例如海王星),这些小行星未在此图中显示。

在这个天文科学项目中,您将为您自己的小行星采矿公司制定一个粗略的科学商业计划。然而,采矿小行星是一种危险且昂贵的冒险,并且航天器可能需要数年才能到达小行星(2003年9月离开地球的Hayabusa飞船于2005年11月降落在一颗小行星上,直到2010年6月才返回地球) !)。这意味着小行星的简单图片(如图1)和太阳系的粗略图(图2)是不够的。为了确保航行是值得的,您需要进行研究和数据分析,以根据您的科学计划确定您的公司将尝试挖掘的小行星。幸运的是,美国国家航空航天局(NASA)和喷气推进实验室(JPL)拥有庞大的计算机化数据库,其中包含有关数十万颗小行星的信息。为了确定您想要挖掘哪些小行星,您需要了解有关此数据库中的信息的更多信息。

那么,NASA实际跟踪小行星的数据是什么? JPL数据库包含有关其轨道的信息,或围绕太阳旋转的空间轨迹。小行星的轨道是椭圆形,,如图3所示。几个不同的参数定义了小行星的椭圆轨道。您需要了解的科学项目的基本参数是:

  • 半长轴是等于椭圆长轴的一半的距离。主轴穿过椭圆的中心并在其最宽点处结束(见图3)。半长轴以天文单位(AU)测量。一个AU等于地球与太阳的平均距离。
  • Perihelion 是物体与太阳的最近距离(见图3)。近日点也以天文单位测量。
  • Aphelion 是物体离太阳最远的距离(见图3).Aphelion也以天文单位来衡量.
  • 偏心测量轨道的”圆形” 程度。一个完美的圆的偏心率为0.随着椭圆变得更长且更瘦,它的偏心率接近(但从未达到)1。偏心率没有单位.
  • 倾斜测量小行星轨道平面与地球围绕太阳的轨道平面之间的角度。倾斜度以度(度)为单位。
  • 轨道周期是小行星绕太阳运行一次所需的时间。轨道周期以年(y)为单位.
小行星轨道的近日点,远日点和半长轴
图3. 一些定义椭圆轨道的参数。

数据库还包括有关每个小行星的物理信息。一些物理信息包括:

  • 直径,小行星的近似直径(请注意,许多小行星不是完美的球形,因此这是平均直径)。直径以千米为单位.
  • 范围测量适合小行星周围的”盒子” 的尺寸(长度,宽度和高度)。对于完美的球形物体,所有三个数字都是相同的。范围以公里为单位.
  • Albedo 是对小行星表面反射多少光的测量.Albedo没有单位。值0表示没有光被反射,值1表示从完全平坦的白色漫射表面反射的光量(意味着光在所有方向上散射) )。大多数小行星的反照率范围从0.01(非常暗)到0.7(非常明亮)。
  • 旋转周期是小行星绕其自己的轴旋转所需的时间。小心不要让它与轨道期间混淆。旋转周期以小时(h)为单位测量.
  • GM 是小行星质量的表达式, M 乘以通用引力常数 G (参见关于转换的技术说明这个数字以质量为单位千克)。通用汽车的衡量标准平方每平方英里数(km 3 /s 2 )。
  • 光谱类型是一个小行星的分类,根据有关它如何反射电磁辐射(如无线电波,可见光,微波和X射线)的信息,为科学家提供了解小行星是由什么材料制成的。有两个主要的分类系统: Tholen 系统和 SMASS 系统。虽然这两个系统之间存在一些差异,但一般来说,小行星可以分为三个主要类别(此处未列出其他较小的组和子组):
    • C型或”碳质” 小行星,含有碳化合物。这是最常见的小行星类型,约占已知小行星的75%。它们主要由粘土和岩石组成,但也可能含有大量的水。
    • S型(”硅质” 或”石质” )小行星。这是第二种最常见的类型,约占已知小行星的17%。它们主要由石质材料(硅酸盐)和镍铁组成,但也可含有铂等有价值的金属。
    • M型(也称为 X型,取决于分类系统)或”金属” 小行星。这些小行星主要由镍铁和其他金属组成.
技术说明

注意:将鼠标悬停在此部分中的公式上,并使用光标将其放大。

GM 是以质量为单位的小行星质量的表达, M 乘以引力常数 G ,其定义为如

或(将距离单位转换为公里而不是米)

因此,为了计算以千克为单位的小行星质量 M ,你必须用乘以引力常数来划分乘积 GM .”G 的:

小心跟踪单位。物理参数表(你会在程序中看到)以km 3 /s 2 给出 GM ,所以你应该使用第二个值计算质量时的 G

例如, GM 小行星25143 Itokawa(由Hayabusa太空船降落)是

将此除以 G 得出小行星的质量, M :

超过30亿公斤(10亿是10 9 )!

所有这些信息究竟如何确定哪些小行星可以开采?在进入”程序” 部分之前,请查看参考书目中的一些参考资料,以帮助您获得一些想法。

术语和概念

以下术语在简介中定义:

  • 小行星
  • 小行星带
  • 轨道
  • 小行星轨道参数:
    • 半长轴
    • 天文单位(澳大利亚)
    • 近日点
    • 的Aphelion
    • 偏心
    • 倾角
    • 轨道周期
  • 小行星物理参数:
    • 直径
    • 程度
    • 反照率
    • 轮换期
    • GM
    • 光谱类型:
      • C型
      • S型
      • M型或X型

问题

  • 小行星的主要类型有哪些?他们用什么材料制作?
  • 这些材料如何在太空或地球上有用?
  • 小行星是如何分布在整个太阳系中的?哪个小行星最容易从地球到达?
  • 地球上的科学家如何收集有关小行星的信息?
  • 从地球表面向空间发射1公斤货物需要多少钱?如果你可以在太空挖掘这些材料,可以节省多少钱?您现在不需要确切的答案,但这类问题可能有助于您制定您的商业创意.

参考书目

这些资源将有助于更多地了解小行星,包括不同类型的小行星,它们在太阳系中的位置,以及我们如何开采它们。您需要为这个科学项目进行大量的背景研究,以便为小行星采矿公司制定一个好的计划。


材料和设备

  • 可上网的电脑

实验程序

制定计划

在这个科学项目中,您将为未来的小行星采矿公司制定科学的商业计划,并列出贵公司感兴趣的小行星。

  1. 为小行星采矿公司制定初步概念或商业理念。我们将提供一些创意来帮助您入门,但您可以随意创造并提出自己的想法!
    1. 贵公司可能会开采近地球上的小行星来获取铂金等贵重金属,并将这些金属带回地球上。
    2. 贵公司可能会在内太阳系中瞄准含铁丰富的小行星,以便开采原材料,在火星上建造空间站或殖民地。
    3. 贵公司可以将小行星射向小行星带的外缘,以获取可以变成火箭燃料的材料,为朝向外太阳系的太空船制造一个”加油站” 。
    4. 贵公司可以从小行星中开采水,为长途飞行任务的宇航员提供饮用水。
  2. 根据您的背景调查,根据您的商业理念,确定最有意义的小行星的类型和位置。
    1. 例如,如果你需要开采水,那么你可能想要瞄准C型小行星,而不是S型或M型.
    2. 如果您想挖掘特定类型的岩石,金属或矿​​物,那么您需要对不同小行星光谱类型的特定成分进行更多背景研究.
    3. 如果你想把材料带回地球上,你可能想要在地球附近瞄准小行星。但是,如果您想在火星附近建造一个空间站或在木星附近建立一个加油站,情况可能并非如此.
  3. 现在您已经有了一个商业创意并初步了解了您想要挖掘的小行星类型,您需要开始识别一些小行星。有两个非常有用的工具可以帮助您完成此任务(我们将向您介绍示例)。
    1. JPL小型数据库搜索引擎允许您搜索基于的小行星具体标准。例如,您可以使用它来查找所有Jupiter特洛伊木马,所有C型小行星或直径大于1 km的所有小行星(或这些标准的任意组合).
    2. JPL小型数据库浏览器提供有关所有已知小行星的数据。您可以使用其名称或标识号搜索单个小行星,结果将显示有关该小行星的所有已知信息.

使用小型数据库搜索引擎

JPL小型数据库搜索引擎允许您进行详细搜索一旦确定了标准,就缩小潜在的小行星列表范围。

  1. 搜索引擎有几个不同的部分。我们将一次解释一个。第一个是”搜索约束” 框,如图4所示。
    1. “搜索约束” 框允许您使用单选按钮(表示一组选项之一的按钮,可以随时选择其中一个)来缩小搜索范围,以选择对象组(所有对象,靠近地球对象[NEO] ],或潜在的危险小行星[PHA]),物体种类(所有物体,小行星或彗星)和编号状态(所有物体,编号或未编号;并非所有小行星都被分配了一个数字,但这不会真正影响您的科学项目的结果,因此您只需选择”所有对象” ).
    2. 您还可以使用复选框缩小搜索范围,以选择轨道类。您可能需要进行背景研究以了解有关不同类型轨道类的更多信息.
    3. “按对象特征限制” 部分允许您在搜索结果中选择物理参数的范围。例如,图5示出了搜索设置,以包括直径大于或等于1km的所有小行星,并且所有小行星的半长轴小于或等于3AU。您可以阅读小型数据库搜索引擎教程,以了解有关如何使用此功能的更多信息
JPL小型人体数据库搜索约束
图4. JPL小型数据库搜索引擎的”搜索约束” 部分。


JPL搜索物理参数直径和半长轴
图5. 顶部图片显示要在搜索条件中添加物理参数,请使用左侧的下拉菜单,然后点击”添加=&gt;” 按钮。该图中的底部图像示出了搜索,该搜索已被设置为找到直径大于或等于1km 且半长轴小于或等于3AU的所有小行星。

  1. “输出字段” 部分确定搜索输出中将包含哪些值。您可以使用它来确保您的搜索仅输出您将发现有用的信息,而不是输出大量无关信息。
    1. 图6显示了输出字段部分的屏幕截图.
    2. 您可以通过从”对象字段” 和”轨道和模型参数字段” 列表中选择它们,然后单击”追加所选项” (将它们添加到输出的末尾),将单个参数添加到搜索输出中或”Prepend Selected” (将它们添加到输出的开头).
    3. 您也可以从”预定义字段集” 区域添加预定义列表,而不是添加单个参数。您在此科学项目中所需的信息包含在”小行星 – 基本” 和”小行星 – 物理” 集中.
    4. 添加参数后,您可以使用”上移” ,”下移” 和”删除” 按钮重新排列和删除它们(图7).
JPL小体搜索输出字段
图6。小体数据库搜索引擎的”输出字段” 部分用于确定搜索输出中将包含哪些参数。选择一个参数,然后单击”Append Selected” 或”Prepend Selected” 将其添加到输出中。


JPL小体搜索输出列表
图7. 使用”上移” ,”下移” 和”删除” 按钮重新排列已添加到输出列表的参数。

  1. “格式选项” 部分可让您确定是要在Internet浏览器中查看结果,还是将其下载为逗号分隔变量(CSV)文件。
    1. 图8显示了”格式选项” 部分的屏幕截图。选择”HTML” 以在Internet浏览器中生成结果表.
    2. 单击”生成表” 将创建搜索结果的表格,如图9中所示。
    3. 在表格中,您可以单击列标题的名称(对象fullname,a,句点等),以按该列对表进行排序。您还可以单击左列中的小行星名称,在小体数据库浏览器中显示其信息页面,如下一节所述。
JPL小型机身搜索格式选项
图8. Small-Body数据库搜索的”格式选项” 部分。单击”生成表” 以创建搜索结果表。


JPL小身体搜索结果
图9. 所有小行星的搜索结果的第一页,直径大于或等于1 km,半长轴小于或等于3 AU。单击左列中的小行星名称将在小体数据库浏览器中显示该小行星的信息页面。单击表格顶部的列名称(例如”句点” 或”直径” )将按该列对表进行排序。

使用小型数据库浏览器

本节将概述如何使用 JPL小型数据库浏览器。一旦使用搜索功能识别潜在客户,查找有关个别小行星的详细信息将非常有用。

  1. 例如,让我们使用小型数据库浏览器查找 25143 Itokawa ,日本航天器Hayabusa登陆的小行星。
  2. 您可以在搜索框中键入”25143″ ,”Itokawa” 或”25143 Itokawa” (不区分大小写),然后按Enter键找到25143 Itokawa,如图10所示:
JPL小型人体数据库浏览器搜索功能
图10. JPL小型数据库浏览器的屏幕截图。使用右上角的搜索栏搜索单个小行星.

  1. 这会显示一个关于小行星的大量信息的屏幕,一开始可能看起来很难,但不要担心!我们将引导您完成屏幕的各个部分。
  2. 第一个表格显示轨道元素(图11)。
    1. 这些是描述小行星轨道的变量(你在简介),可能有助于确定小行星是否位于您的企业想要定位的位置。
    2. 表中的大多数轨道元素都使用缩写。单击缩写以查看全名。例如,如果单击小写”q” ,弹出窗口会告诉您这是近日距离,以AU为单位.
JPL Itokawa轨道元素
图11. 来自JPL小型数据库浏览器的小行星25143 Itokawa的轨道元素.

  1. 接下来是物理参数表(如图12所示)。该表包含有关小行星的物理信息,可能有助于确定它是否是您想要定位的小行星类型。
JPL Itokawa物理参数
图12. 来自JPL小型数据库浏览器的小行星25143 Itokawa的物理参数表。
  1. 最后,您可以查看 close-approach 数据表。您可以通过单击窗口左下角的”[show close-approach data]” 打开此表,如图13所示。此表包含有关小行星何时通过地球的信息,包括日期和时间方法,到地球的距离(标题为标称距离(AU)的列)和其他信息。
JPL small body database close approach
图13. 单击Small-Body Database Browser左下角的”[show close-approach data]” ,打开close-approach数据表。

  1. 计算航天器离开地球并拦截小行星必须采取的轨迹是非常复杂的,并且你不会期望这个科学项目能做到这一点。但是,您可以通过查找有关其他航天器的信息进行粗略估计。例如,Hayabusa探测器离开地球后需要2年零4个月到达Itokawa。您是否可以查看有关其他航天器的信息(例如,火星探测器或航行者探测器)来确定到达太阳系不同位置所需的时间大致?

全力以赴

现在您已经了解了很多关于小行星的背景信息,包括它们是由太空系统制成的以及它们在太阳系中的位置。您知道如何使用有用的在线工具,让您查找有关小行星的详细信息,您应该对小行星采矿公司有一个粗略的商业想法。因此,现在是时候利用所有这些信息来确定最适合贵公司探索的小行星。

  1. 使用您为小行星采矿公司确定的标准,使用 JPL小型数据库搜索引擎,以查找符合您标准的小行星列表。
  2. 查看有关个别小行星的数据 JPL小型数据库浏览器
  3. 尝试确定一个合理大小的潜在小行星列表,如”十大” 列表。如果您没有使用足够的搜索条件,您的搜索可能会返回数百甚至数千个结果,并且这些信息将不易使用.
  4. 如果您在缩小列表范围时遇到问题,请尝试提出其他标准。以下是一些例子;请记住,这些只是建议,您可以根据您的小行星采矿公司的目标提出自己的想法。
    • 有些小行星非常小(只有几米),有些非常大(几百公里)。你想试图”捕获” 非常小的小行星并将它们带回地球吗?或者你想从它们的表面登陆大型小行星和我的小行星?介于两者之间的事情呢?
    • 小行星多久经常接近地球?他们的下一个近距离接近多久会怎样?你能比其他人更快地到达一些小行星吗?那么长期的商业计划呢?例如,如果你想在未来50年内每5年到达一颗小行星?
    • 您认为如何确定降落在小行星上的难度?例如,一些小行星的形状非常不规则(您可能需要找到小行星的图片来说明它的形状),并且有些小行星非常快速地旋转。这会让我更难降落在水面上吗?
    • 您认为太空船在一次行程中可以从小行星带回多少材料?对于大型小行星,您是否需要计划多次往返于同一小行星?

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  • 外太阳系中还有更多物体;例如”Trans Neptunian” 小行星,以及柯伊伯带中的物体。为外太阳系中的物体制定深空采矿计划。外太阳系中物体的成分是否与内太阳系中的物体成分不同?
  • 如果在搜索中包含彗星,而不仅仅是小行星,会发生什么?做背景研究以了解彗星和小行星之间的差异。挖掘一个比另一个更有意义吗?
  • 对小行星采矿公司的财务方面做一些非常粗略的估计。例如,考虑以下问题:
    • 从地球表面向空间发射1千克材料目前需要多少钱?
    • 将卫星,探测器和其他航天器发射到太阳系中的不同位置需要多少钱(例如,隼鸟探测器往返于小行星)?
    • 在太空中采矿1公斤水(或其他材料)而不是从地球上发射水可以节省多少钱?你需要多少公斤的水才能弥补向小行星发射宇宙飞船的成本?
    • 如果可以在地球上出售小行星,那么小行星的原材料价值多少呢?

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