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（1.中国航天科技集团有限公司；2.中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室）
摘 要：以月球开发、小天体采矿为代表的太空资源开发正逐步变为现实。它不仅是实现规模化深空探测与应用的重要基础，也将催生新的太空经济，有望解决地球面临的资源匮乏、能源危机等一系列制约性问题，为地球可持续发展注入新动力，给人类带来非常大的经济价值。介绍了太空可获得的资源类型和价值，结合国际发展形态趋势，从太空水冰开发的原位使用价值、太空其他矿产开发的原位使用价值和太空关键矿产开发的地球利用价值3个方面，探讨太空资源开发的经济价值，并展望了未来发展趋势。
地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。当前，重返月球、载人登陆火星等极具挑战性的探索任务正逐步实施。正如人类学家、未来学家阿尔文•托夫勒所预测的那样，“第四次浪潮”将是以人类进入太空居住为标志的太空时代。人类文明向太空的拓展必将带来太空的工业化，同时将具备新工业革命的信息化、网络化、智能化等新特征。以太空资源开发为代表的“大航天时代”是太空工业化的第一步，也是太空工业化的重要基石，将催生太空采矿、太空资源加工、太空制造、太空运输等一系列新兴工业领域。
随着航天科技的迅速发展，以月球开发、小行星采矿为代表的太空资源开发正逐步变为现实（这里所说的太空资源主要是指太空物质资源）。它不仅将大幅度减少地球补给、大大降低太空探索的任务成本，是实现规模化深空探测与应用的重要基础，也将有望解决地球面临的资源匮乏、能源危机等一系列制约性问题，为地球可持续发展注入新动力。太空资源开发将激活太空经济活动，催生地月经济圈、太空制造、太空物流、太空能源等新兴起的产业，是未来国家间实力竞争的一项重要判断标准，也将成为各国新的经济稳步的增长点。
从物质起源、天体演化的角度来看，各种元素在宇宙中广泛分布，宇宙物质的存在具有广义的普遍性和统一性。学者一致认为，太阳系是由一团旋转的气体和尘埃分子云在自身引力的作用下坍缩形成的，太阳形成于质量中心位置，其余坍缩的成分形成行星盘继而演化为现今的太阳系。太阳系内氢、氦、氧、碳等元素具备极高的丰度，并拥有各种金属和矿物质。从地外天体获取物质资源，将使地球从物质封闭系统转变为物质开放系统，为地球可持续发展提供不竭动力。
自1959年美苏开始发射月球探测器以来，经过60多年的发展，人类发射了大量月球与深空探测器，对太阳系的主要天体开展了飞掠、抵近、环绕和着陆探测，获取了大量科学数据，对太阳系天体的元素组成、资源分布、赋存状态有了比较全面、深入的认识。而且，通过多种途径实施了月球和小天体的采样返回，获得了多种类型的地外样品，开展了地质、矿物学等方面的研究，为太空资源利用提供了重要科学基础。大量探测数据表明，太阳系各天体拥有丰富的自然资源。例如，月球极区富含约6亿吨水冰资源，月球表面汇聚了高达60万吨氦-3核聚变资源，月球克里普岩（KREEP）富含钾（K）、稀土元素（REE）和磷（P），以及钍、铀等放射性元素，总稀土元素资源量为225亿~450亿吨，钍和铀资源分别达8.4亿吨和3.6亿吨。此外，月球还蕴藏丰富的铬、镍、钾、钠、镁、铜等金属矿产资源。小行星拥有丰富的矿产资源，具有巨大的开采价值。碳质小行星不仅富含碳、氢、氧、氮等元素，能够为深空探索补给物资，而且铂系金属元素含量也很丰富。金属质小行星主要由铁、镍构成，富含铂族矿物和稀土元素。火星表面存在大量水资源，包括极地永久水冰盖、次表层冰冻圈、矿物结合水、水蒸汽等。火星大气富含二氧化碳，浓度达95%。
以月球推进剂生产为代表的月球资源开发活动将大幅度降低太空运输成本，激活并有效促进地月空间的经济活动，催生地月经济新业态，推动人类文明跨入新阶段，并将在月球创建人类的“第二家园”。月面资源开发引发的“太空新经济”会给人类带来不可估量的经济价值。正如历史上美洲新大陆的发现，月球资源将吸引各航天大国的开拓者和探险家，以及风险资本和产业活动的汇聚。针对地球可持续发展面临的战略性资源短缺问题，国际上兴起了“太空淘金热”，以小行星采矿为目标的私营公司如雨后春笋般涌现。预计未来20年，国际上将逐步实施小行星资源勘探、小行星采矿演示验证，并最终实现商业化运行。多家机构对太空资源的经济价值进行了经济学预测，美国美林集团（Merrill Lynch）和全球著名经济智库美国米尔肯研究院（Milken Institute）认为，地月空间商业活动的生产总值每年将高达2.7万亿美元，而火星、小行星带等的价值超过7万亿美元，将改变全世界经济格局（图1）。总体上看，太空探索进入到太空资源开发的新阶段，将为人类打开巨大的资源宝库。
21世纪以来，美国、欧洲、中国等国家和地区以月球资源开发为重点，规划了技术发展路线图并部署了一系列月面试验任务。美、日、欧等国家和地区已实施了多项小天体探测、特征识别、采样返回、操作处置等重大任务，具备小行星采样返回和初步操作能力，开展了小行星资源普查，技术与经济性评估。我国正在实施小行星探测工程任务，将对近地小行星2016HO3开展伴飞探测并取样返回。这一系列小天体探测任务，将为小行星资源开发奠定基础。当前的主要航天大国甚至一些新兴商业航天公司已拥有了近地天体的绕飞、着陆与探测的航天工程能力和实践经验。实施这些任务形成的工程和技术能力为建立太空资源开发基础设施提供了重要支撑。
2015年，美国国家航空航天局（NASA）马歇尔空间飞行中心成立了太空2100 研究组，对2050 年地月经济圈态势进行了预测，包括高度网络化、国际化的太空工业和地月基础设施。研究指出，原位资源利用（ISRU）和原位3D制造将是关键技术，需开展在有人监督下的机器人月球表面或小行星上的采矿作业。月球附近将建立可容纳300人的栖息地，包括进行采矿作业、中转站和建造设施的人员。这个栖息地将提供辐射屏蔽和人工重力，演示粮食生产和其他技术，利用太空原位资源实现基本自给自足。
2016年，美国联合发射联盟公司（ULA）认为30年（2046年）后，1000人可能会在地月空间生活和工作，提出了一个可自我维持的太空经济模式——地月1000（Cislunar1000）计划。水是支持人类活动的必需品，并且容易通过电解分离成氧和氢。氧气对人类呼吸空气至关重要，当液化后，氢和氧是理想的化学推进剂。因此，水资源开采与利用是地月经济的关键，开采月球水冰作为推进剂可能是月球资源的首要经济活动。图2给出了设想的地月空间经济市场，潜在的地月空间活动包括太空推进剂生产、新材料和制造、人类太空生活和工作、近地小天体采矿，以及科学探索、太空碎片管理、卫星服务与加注、“国际空间站”、载人探索、空间太阳能电站、自维持居住地等。地月高速公路-空间运输基础设施概念包括推进剂加注站、轨道拖船、中转中心、服务站等，以及对自主采矿设备的需求。
2020年4月，NASA发布《月球持续探索与开发计划》，提出美国将加速实施“阿尔忒弥斯”计划，在月球南极建设“阿尔忒弥斯”营地，开展月球资源开采和原位资源利用，支持长期经济与科技活动，为21世纪30年代首次载人登陆火星奠定基础。2020年9月，NASA发布“阿尔忒弥斯”计划大纲，提出将在月球上演示生产水、燃料和其他供应品，以及建造设施的能力。2020年10月，美国与多国签订《阿尔忒弥斯协定》，其核心是太空资源条款。签署国提出太空资源的利用可以为安全和可持续的太空活动提供关键支持，从而造福人类；应在《外层空间条约》框架下开展月球、火星、彗星、小行星等太空资源的开采与利用；承诺使用安全区，鼓励科学发现、技术验证以及安全高效地开采和利用太空资源。
2021年4月，美国大西洋理事会发布了《太空安全的未来：未来30年的美国战略》，指出未来30年太空政策的重点在地月空间。该战略给出了美国将在短期（2021-2025）、中期（2025-2040）、长期（2040-2050）三个时间段内优先发展更新细化太空治理法律和法规框架、建立太空安全合作联盟、加速太空商业化、开发地月空间等四个方向，并实现科学观测、军事监测与通信、以及资源开采等。加速太空商业化需加大太空发射、卫星星座运营、新动力和推进剂系统、在轨服务和太空资源利用（包括从月球或小行星表面提取材料用于获取燃料或水）等关键基础技术的重点投资。太空资源利用将成为下一个从根本上增加太空活动和参与太空探索国家数量的技术催化剂。太空资源利用技术在太空中开采、获取消耗性资源，将明显降低发射成本，并最终实现从月球发射。太空资源开发可带来显著的经济价值，一颗足球场大小的小行星可以生产500亿美元的铂。太空资源的开发时机已成熟，将是未来30年确保空间安全的关键。
2022年11月，美国白宫科技政策办公室发布《国家地月空间科技战略》，该战略是美国政府太空优先事项之一，为建设地月生态系统奠定了基础。该战略提出美国将基于太空优先框架，指导其负责任、和平和可持续地探索和使用地月空间，提升美在地月空间科学、探索和经济发展活动方面的太空优势。该战略是美国政府太空优先事项之一。为实现这一愿景，美国政府制定了以下4项关键目标：（1）鼓励科学技术研发，实现美国在地月空间的长期发展；（2）扩大地月空间国际科学技术合作；（3）增强地月空间态势感知能力；（4）提高可扩展和可互操作的地月空间通信及定位、导航和授时（PNT）能力。第一个目标的首要子目标为：促进人类在地月空间长期驻留和生存，致力于研发使人类能够在地月空间长期驻留和生存的能力和技术，并为未来载人火星及更远深空任务提供支持。它包括：（1）支持轨道和月球表面技术的发展以及其他可扩展的能力，包括可加注月球着陆器、环境控制和生命维持技术、月球表面动力系统、移动和辐射太空服等。（2）对月球资源做评估，推进对月球资源利用的研究、开发及演示，包括资源表征和勘测、利用原位材料制造设备组件、自主装配结构和处理水、氧等有用分子等。（3）开展减轻空间环境对人类造成负面影响的相关研究，包括辐射对机组人员工作和健康的影响、微重力影响等。（4）鼓励深空载人探索和永久居住相关的社会科学领域研究，诸如人类向空间扩张的指导伦理、空间发展的长期合作模式以及空间社区的公平治理结构等。
近年来，商业航天也积极开展太空资源开发活动。2012年，美国成立了行星资源公司（Planetary Resources），它是全球第一家致力于小行星资源开采的科技公司，该公司提出分批发送大量机器人进入太空，搜寻具有开采价值的小行星并对其进行开采，最后将矿产资源带回地球的方案。2013年，美国深空工业公司（Deep Space Industries）成立，规划了勘探、开采、加工和制造4个阶段的小行星资源开发利用任务。勘探任务由“萤火虫”飞行器完成，它利用光谱探测等形式对小行星进行环绕探测，对水、铁矿石、稀有金属等资源进行勘探；开采任务由“蜻蜓”飞行器完成，在小行星表面采集样品并进行分离，保留稀有、价值较高的矿物；加工任务由近地空间的资源处理站进行深度加工，实现物质的分离与提取，获取制造材料；制造任务将由微重力制造厂进行，通过3D打印技术制造高密度、高强度金属零部件，用于建造飞行器舱段、巨型结构等空间设施。2022年1月，美国成立AstroForge初创公司，并获得1300万美元的种子基金，其目标是重点开采地球上需求量很大的铂族金属（PGM）小行星资源，目前已开发测试了处理小行星材料的新技术。
2016年，欧空局（ESA）提出国际“月球村”计划，将联合全世界航天国家的力量，在月球表面建设一个由所有感兴趣的团体和国家参与的合作营地，开展科学探索资源开发乃至商业性项目。约有来自30多个国家的150名成员构成的月球村协会（Moon Village Association，MVA）牵头开展规划设计，促进实现永久月球基地的愿景。ESA认为月球基地将引发新一轮技术创新，包括就地取材，利用3D打印技术建造月球基地等，以及利用立方星技术开展月球资源及环境探测、发展商业化的月球探测支持能力等。ESA以投资研发或付费使用的方式发展将月球物质原位转化为氧气和水的技术，以保障未来载人深空探测活动。2017年ESA发布了重要的公告，发展月球原位资源利用技术，每项资助额度20万~50万欧元，包括研制探测器、有效载荷、仪器等产品，开展技术验证，目标是演示在月球表面生产氧气的ISRU相关技术，以及勘测未来载人探测区域的ISRU资源特征。
2019 年， ESA提出太空资源战略（ESA Space Resources Strategy）（见图3），以原位资源利用实现月面长期生存为愿景，实施三阶段计划：勘测、探索和技术成熟（20年代早期）；端到端演示验证（20年代中期）；在探索任务体系下的集成ISRU试验工厂（30年代中期）。同年，ESA与火箭制造商阿里安集团（Ariane Group）签约，计划建立基地从月球开采太空资源。卢森堡2020年宣布建立欧洲太空资源创新中心（ESRIC），并通过与ESA合作，旨在使该中心成为太空资源领域科学、技术、商业和经济方面的专门知识实体，开展包括月球水、小行星矿物等太空资源的利用。2022年6月，ESA发布了新世界载人探索战略路线图（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap），提出了近地轨道、月球和火星的载人探索路线和重点任务，同时，将太空资源战略融合到这个战略路线 ESA 的太空资源利用发展战略
2021年6月，中国国家航天局正式对外发布了《国际月球科研站路线年前后集中开展国际月球科研站建设，完成在轨和月面的能源、通信和运输等设施建设以及月球ISRU研究探索等任务。月球科研站是一个能够长期稳定运行、具有自主决策能力，可以开展科学探测、科学研究和原位资源开发利用的综合平台。月球科研站初步由中枢控制模块、能源模块、通信模块、运输模块、原位采样和制造模块、科学研究模块、人机结合模块等基本功能组成。在月球南极附近建设科研站，既能轻松实现部分时段与地球进行直接通信，也能够最终靠月球轨道中继卫星进行通信。2024年4月25日，吴伟仁院士在中国航天大会上提出月球科研站建设设想：依据“总体设计、分步实施、边建边用”的原则，国际月球科研站建设将按照2个阶段分步实施，计划2035年前建成基本型，以月球南极为核心，建成功能基本齐备、要素基本配套的综合科学设施，开展常态化科学实验活动和一定规模的资源开发利用；2045年前建成拓展型，以月球轨道站为枢纽，建成功能完善、相当规模、稳定运行的设备设施，开展月基综合性科学研究和深度资源开发利用，为载人登陆火星开展有关技术验证和科学实验研究。国际月球科研站由月面段、月轨段和地面段构成，由能源动力系统、指挥信息系统和月面运输系统等基础设施组成，具备能源供应、中枢控制、通信导航、地月往返、月面科研等功能，可长期持续开展科学探测、资源开发、技术验证等多学科、多目标、大规模科学和技术活动。裴照宇和王琼以中国倡导的国际月球科研站总体架构和创新发展需求为指导思想，依据“资源可分类，利用需综合”的月面资源利用方针，规划了月面资源利用场景（见图4），表达了能源动力、物质转化、月基建造的拓扑关系，以及各类资源利用活动之间的内涵关联和拓展应用关系，并提出了近-中-远三期月球资源综合利用的发展目标和发展路线 月面资源综合利用场景及内涵关联拓扑场景规划
包为民院士对地月空间探索和开发进行了深入论证，认为地月空间是人类走向深空的第一站，存在着各类物质、能源、环境、位置等稀缺战略资源，是未来很长一段时间内人类生存与发展的战略空间。地月空间探索与开发由地月空间航天运输体系、地月空间资源探测与开发体系、地月空间基础设施体系等三大硬件设施和法律和法规体系支撑实现。其中地月空间资源探测与开发体系负责对地月空间各类资源实施勘探、采集和利用，包括地月空间飞行、月面长期工作支持、月面移动与操作和资源开发利用等服务（见图5）。未来需具备以下能力需求：（1）勘探能力。构建地月空间资源勘探能力，实现对地月空间资源类型、分布的全面评估。（2）采集能力。开展地月空间资源挖掘、深层资源钻取，实现水冰、矿产等各类资源的收集。（3）利用能力。与地月空间基础设施体系共同实现对地月空间各类资源的利用，减少对地球资源的依赖性，保障人类地月空间活动的可持续发展。
2023年，笔者团队在长期研究、技术攻关和系统论证的基础上，提出了“天工开物”太空资源开发规划设想，展望了太空资源开发带来的太空新时代前景。月球资源开发是太空资源开发的第一步，将为地月空间经济化和最终的全太阳系资源开发提供物质基础。月球资源开发体系以水冰资源开发为目标，重点建设月球极区采冰站、地月L1资源补给站，建立低成本月面发射系统和地月运输系统，形成低成本地月供应链系统，支撑常态化地月空间活动，并为近地小天体采矿和其他行星开发重点提供空间推进剂补给。进一步，以人类社会持续健康发展紧密相关的战略性矿产资源开发为核心，以水冰资源开发和水基推进制备为基础，以地球为中心，由近及远，分阶段建设月球资源开发体系、近地小天体采矿体系、火星资源开发体系、主带小行星采矿体系、类木行星探索开发体系及内行星探索开发体系，逐步构建全太阳系资源的开发能力（见图6）。
俄罗斯联邦航天局在《2016—2025年联邦航天规划》中将月球定位为深空探测的研究重点，计划于2025年前完成月球南极着陆和巡视任务，旨在验证原位资源利用技术。2023年8月11日，俄罗斯“月球”25探测器发射升空，重点研究月球两极地区的水及其他化合物，它是俄罗斯46年来的首次探月任务。但令人遗憾的是，它于8月19日出现异常并失联。韩国提出了月球挥发物研究计划，包括发射韩国的“探路者月球轨道器”（KPLO），该探测器携带中端波长的红外光谱仪（MWIR）用于寻找月球水冰的直接证据。
日本国会通过了《促进与探索和开发太空资源有关的商业活动法》，激励日本公司在月球开发活动中占据主导地位。日本各行业公司已开始了月球商业化活动，推动与月球相关的业务和服务。2021年，日本成立月球工业愿景委员会，发布《月球工业愿景：地球6.0》白皮书，指出月球及地月空间将成为新的太空工业ECO前沿，新月球工业将为地球发展带来重要价值。
太空资源开发可在地外天体极端环境条件下，以较低的风险、代价和成本，开发并利用地外天体物质资源，生产制造服务于大规模空间活动、地外天体探索和地球可持续发展的材料和产品。按应用目标，太空资源开发总体上可分为两大类：一是服务于太空探索与开发的资源利用（For Space），它更强调就地取材，在地外天体上识别、获取和利用原位自然物质资源和人类废弃资源，以获得有用的产品和服务，直接支撑太空探索与开发活动，以及未来可能的地外移民和长期居住，这一般被称为ISRU；二是服务于地球可持续发展的资源利用（For Earth），它从地外天体获取地球发展所需的关键资源，并运回地球利用，这一般被称为太空采矿（Space Mining），包括小行星采矿（Asteroid Mining）、月球采矿（Lunar Mining）等。
众所周知，地球上的石油是现代国家国民经济的血脉，石油工业也是现代产业的基础工业之一。水是生命之源，也是人类实现长期地外生存的核心物质要素。更重要的是，水能够最终靠太阳能光电催化直接生产氢和氧，既可为长期地外生存提供氧气，又可为各类太空活动提供氢能和太空运输所需的推进剂。能预见，随着太空探索与开发活动的频度和规模增加，对水资源和衍生的氢氧的需求量也大幅度增长。在马上就要来临的太空时代，水将是太空经济的命脉，太空水工业也将成为太空工业化的基础。在木星以内的太阳系范围，太阳能较为充足、获取便捷，通过在太空可原位获取的太阳能和水资源来制备氢氧推进剂，是降低大规模太空活动成本的关键。虽然核能不依赖太阳能，功率密度大，但由于核能是不可再次生产的能源，核安全要求高、成本高昂，而且还要一直补充推进剂物资，大规模太空活动时需从地面供给大量核燃料和推进剂，在相当长的时期内难以减少相关成本，不适宜大范围利用。月球和近地小天体的水冰资源开发是规模化太空活动的基础。当人类具备了近地天体的水冰开采能力，并在此基础上构建了地月空间的水基推进剂的供应链后，将激活整个地月空间的经济活动，在此基础上，将把人类活动逐步拓展到整个太阳系。表1给出了从地球和从月球供应推进剂的成本比较，能够准确的看出，即使在近地轨道提供推进剂加注服务，月球推进剂也具有成本优势；对于向地球静止轨道、地月L1轨道提供推进剂，月球供应比地球供应的成本低一个量级；而对于月面应用，月球供应比地球供应的成本低近两个量级。由于近地小天体的引力很小，不像月球需消耗燃料来突破月球引力阱的限制，因此，从近地小天体开采水冰资源所需的速度增量可能更小，小天体供应水的成本更低。
通过在月球表面开发水资源，为月面和月球轨道加注原位制备的推进剂，可有效支撑载人登月任务，大幅度降低规模化任务成本。例如，美国NASA乘坐载人舱从“门户”（Gateway）空间站直接运送到月球表面，每次着陆任务都需要14~50t的推进剂。假设每年有两次载人登月任务（每次需25t推进剂）和一次大型货船任务（需50t推进剂），则月面推进剂的总需求为100t/年。使用5.35:1的推进剂混合比，这与水的氢氧元素质量比8:1不同，则需要约150t/年的月球水资源。若在月球极区开采水并生产氢氧推进剂，相较从地球供应，该类任务每年可节省53.3亿美元的成本。
载人火星任务对水基制备的原位推进剂需求量更大。洛马公司的火星大本营概念计划提出利用地月L1点作为火星出发的集结地。每2年发射一次任务，每次都需要在地月L1点加注280t的推进剂。这在某种程度上预示着每年需要从月球或近地小天体开采420t的水资源。相较从地球供应，该类任务每年可节省23.1亿美元的成本。
另外，在近地轨道的活动也对水基制备原位推进剂有重要的需求。通过在近地轨道上为上面级运载工具加注推进剂，可使得运载能力提高2.7倍以上。若每年有3次这种超重型发射任务，就会有每年高达210t低地球轨道的推进剂加注需求。考虑到从月球运输水资源和制备的推进剂到低地球轨道，原位推进剂的需求会增长到1260t/年，这需要每年开采1880t的水资源。这些应用将构成太空水资源的早期市场需求。
在不远的将来，人类的生存发展空间会向太空不断拓展。在综合了美国埃隆•马斯克提出数十万人在火星上生活、美国杰夫•贝佐斯提出数百万人在地月空间生活和工作，以及美国联合发射联盟公司的地月1000愿景的基础上，预测未来太空人口规模及所需要的水如表2所示。按表1数据来进行估计，在月球极区开采水并生产氢氧推进剂，为地月空间活动提供补给服务，相较从地球供应，2025年可节省56亿美元，2040年可节省540亿美元，而到2055年则可节省可达910亿美元。
月球和火星都被选择作为载人探测的目标，并将实现大规模的地外移民。地月经济圈的建设和未来地火空间的拓展开发，将伴随着一系列规模化、经济性和可持续的太空基础设施建设，包括地月空间站、月球基地与火星基地，以及太空资源开发、太空制造、太空物流、太空能源等设施。这些基础设施的发展仍面临重大挑战，阻碍了人类实现脱离地球的生存能力及太空资源开发的能力。
目前航天器主要的结构材料包括铝、镁、钛等合金。铝合金价格相对便宜，导热性、导电性良好且抗腐蚀和抗老化性能好，是目前卫星上应用最广泛的轻金属材料。镁合金是常用合金材料中密度最低的材料，且减振能力好，易切削加工，但强度相比来说较低。钛合金相比于其他轻金属材料的优点是比强度最高，抵抗腐蚀能力高，线线胀系数小，并且高低温力学性能好，能在550℃高温和零下250℃低温下长期工作而保持性能不变。
未来太空基础设施的建造将需要铝、镁、钛、铁、硅等大量金属和非金属材料。从地球向太空运输物资代价高昂，向月球运送1kg的建设材料费用可能到达36000美元，向火星运输建设材料成本更为高昂。月球、小天体和火星等地外天体的探测表明，它们赋存了大量的矿产资源，可以加工成类似于地球的建筑材料和金属与非金属材料等。例如，小行星都会存在精炼级铁、镍和钴，以及钼、铝、硅、钛和铂族金属（PGM）等。矿石品位明显高于地球，开采、冶炼难度小。镁、铝和硅几乎完全以氧化物形式存在于硅酸盐、氧化物和碳酸盐等化合物中，可采用星壤熔融电解等工艺进行化学还原来提取金属元素。铁可以3价（如磁铁矿等）、2价（如橄榄石、辉石等）和0价（如铁镍金属）的形式存在于小行星中。硅、铝、铁、钛等材料在地球上储量丰富，无需运回地球使用，但具有巨大的太空应用潜力。轻金属铝和镁适用于建造大型桁架或梁等结构，钢的性能在某些条件下比铝或镁更有优势，若没有发射质量和成本的约束，太空炼制的钢铁将有重大需求。太空电力可通过由硅制成的太阳能光伏电池来提供。其他金属，如镍、钴、铜和稀土元素也具有特殊应用。当具备了在太空中冶炼生产的能力后，通过开发地外天体资源获得的金属和非金属材料来开展太空基础设施建造和关键结构部件、光伏电池等制造，甚至有可能比返回地球的贵金属更有价值。
通过利用太空原位资源，将大幅度减少从地球的物资运输量，大大降低建设成本。以表2为例，至2040年近地轨道站、地月L1轨道站、月面前哨站、火卫一前哨站和火表前哨站的人员规模为分别为218、79、68、12、20人，均超过“国际空间站”6~7名航天员的规模。与当前“国际空间站”重约420t、电功率75~90kW、居住体积388m3的规模比较，未来的这些基础设施规模将大幅超过“国际空间站”，总体体积和质量巨大，建设成本也会非常高昂。即使假设未来建设的地月L1空间站的质量规模为420t，若通过月球原位资源来进行建设，参考表1的数据，则可节省约46亿美元的发射成本。另外，在太空或地外天体表面建设基础设施，由于不要经历发射段和着陆段的强过载，以及应用于低/微重力环境下，其结构构件的强度和刚度要求大幅度降低，会显著节省建造材料的需求量和建造时间。例如，如果在月球表面建造射电望远镜，由于重力低且没有动态载荷，与美国西弗吉尼亚州建造的直径为182m、质量36000t的射电望远镜相比，质量可能会降低到约4000t。若通过月球原位资源来进行建设，参考表1的数据，则可节省约1420亿美元的发射成本。
战略性矿产资源（Strategic Mineral Resources）是一组重要的化学元素，它是全球经济发展高需求、高价值商品的关键限制因素。这些元素包括：
（1）稀土元素（REEs）。共有17个元素，包括了原子序数从57到71的15个从镧到镥的镧系元素以及与镧系元素具有相似化学性质的原子序数为21的钪和39 的钇（Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu），大范围的使用在航天、军事、能源、制造等高科技领域。
（2）裂变元素（U，Pu，Th）。大多数都用在产生核能的放射性元素。铀、钚和钍是仅有的3种可以被浓缩的自然元素，因此被用作核反应堆的裂变燃料。随着核电的发展，这些元素将变得更有价值，需确保稳定供应。
（3）铂族元素（PGE，包括铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt等）。它是化学性质类似于铂的过渡金属。这些元素最常用做工业过程中的催化剂和合金成分。（4）稀有金属和类金属（RMs）。稀有金属（Ga、In、Zr、Nb、Co、Ta）在新兴技术中有重要需求。其中4种元素是过渡金属，属于3个不同的周期群和2个周期；另外2种元素是类金属。与稀土元素不同，这些元素有很不同的化学性质。
关键矿产（Critical Minerals）是指对经济社会持续健康发展和国家安全至关重要，由于供应短缺存在比较大风险，或具有一定优势可对全球供应具有较强影响力的矿产资源（见图7）。2018年美国地质调查局制订了关键矿产清单，2022年更新为50种。
到2050年，全球人口数量预计将超过90亿。随着全球人口持续增长，对战略性关键矿产的需求迅速增加。许多战略性关键矿产由于其稀有性，难以进一步增加产量，未来的资源供应不足以满足迅速增长的资源需求。例如，全球稀土元素储量足以维持1个多世纪，然而，由于可开采的高品位矿石的稀缺性，难以保障未来的持续供应，因此，在未来100年内，稀土元素和其他关键性矿产资源的需求可能会迅速超过供应。2024年4月27日，中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心发布了《全球矿产资源储量评估报告2024》。报告数据显示，截至2022年底，全球铁、锰、铬、磷、钾盐、锂、钒、钛、镁、钨、铌、钽和铂族金属储量丰富，铟、锡、锑、铅、锌、铋、镍、铝、铜等资源的保障程度较低，需进一步加大勘查力度和资金投入。
月球和小行星等地外天体蕴藏着丰富的、可支撑地球可持续发展的战略性关键矿产。月球独特的克里普岩富含丰富的稀土资源和钍、铀等放射性物质，探测数据表明，在月球正面风暴洋区域可能就是克里普岩的分布区域，估计厚度约10~20km，初步估算表明克里普岩中稀土元素、钍、铀的资源量分别约为6.7亿吨、8.4亿吨和3.6亿吨。月壤中还富含地球上稀缺的氦-3核聚变能源资源，总储量估计超过60万吨。分析表明，10吨氦-3就能满足我国一年所有的能源需求，100t氦-3便能提供全世界使用一年的能源。
小天体采矿是获取战略性关键矿产的重要方法。小行星中密度较高的金属，包括铂族矿物和稀土元素，相对均匀地分布在整个小行星中，简化了采矿过程，钻探相对较浅、矿石品位很高。小行星带包含约8%的富金属（M型）小行星和75%的富挥发性碳质（C型）小行星。碳质小行星富含氢、碳、氧、氮等元素，能够为太空探索提供水和燃料，而金属质小行星主要由铁、镍构成，有些小行星中铂系金属元素含量丰富，包含铂、钴、铑、铱、锇等稀有金属。富含铂的小行星品位高达每吨100g，是南非露天铂矿的10~20倍。这在某种程度上预示着一颗500m直径的富含铂的小行星可能含有近175倍的全球铂的年产量。
通过地面和空间的遥感观测，国际上已获得大量的小行星数据，并建立了公开数据库。例如，Asterank数据库包含60多万颗小行星，结合小行星的质量、组成、轨道等重要数据，估算开采小行星的成本和收益，能够迅速获得最有价值的、最合算的、最容易达到的小行星排序信息。近地小天体是现阶段最适宜开采的目标，具有十分可观的价值和利润（见表3），主带小行星开采价值更大，大量小天体的单颗价值和利润均超过100万亿美元，小行星带的典型小行星资源和价值估计如图8和表4所示。
表3 按估计利润排序前5 的近地小天体（截止到2023 年7 月共33652 颗）亿美元
图8 小行星资源的经济价值（引自Planetary Resources）
随着航天科技的加快速度进行发展，一系列月球与深空探测任务成功实施，太空资源开发研究攻关力度加大，太空资源开发涉及的关键技术和共性基础技术已形成良好的基础，具备开展空间飞行演示验证和规模化开采的技术条件，以小行星采矿为代表的太空资源开发已逐步变为现实。
太空资源开发将催生“太空新经济”，把人类的经济活动拓展到新疆域，关乎人类生存发展和人类文明的不断延续。太空资源开发不仅将大幅度减少地球补给、实现规模化深空探测与应用，也将为地球可持续发展注入新动力。近地天体的资源开发是人类开发太空资源的第一步，在此基础上形成的资源开发能力和太空原位补给能力将为规模化和更深远的太空经济活动奠定基础，最终实现太阳系全域资源开发。展望未来，以太空资源开发为基石的太空新时代和催生的“太空新经济”将对人类社会带来以下几个方面的重大影响。
（1）拓展人类生存发展新空间。通过利用地外天体原位资源，可在其他星球上获取人类生存和活动所需的基本能源和物资。这将大幅度减少从地球的补给需求，降低太空探索的发射质量、成本和风险，真正在地外天体建立人类家园。（2）促进地球绿色可持续发展。从太空获取战略性矿产资源，将突破地球资源制约，为地球发展打开新窗口，而且太空资源开发将实现太空工业化，形成太空矿业、太空冶金、太空制造、太空数据中心等新产业。这将为地球可持续、绿色、低碳发展提供变革性的新技术和新动力。
（3）催生太空新经济并改变全世界经济格局。太空资源开发将触发新技术革命，将催生自工业革命以来的又一次新供给的经济扩张，实现商业化、规模化，形成新产业体系，形成新质生产力，从而促进未来全球经济的快速发展。
（4）促进国际合作和人类文明和谐发展。随着地球资源的日益枯竭，资源争夺导致的国家间冲突将日益加剧。太空资源开发将打开近乎无限的资源宝库，是缓解资源冲突的重要基石，将为人类命运共同体的未来发展开辟广阔前景，促进人类文明和谐发展。
（5）建立国际新规则并形成国际新秩序。太空是人类的共同财富，但未来仅有少数科技强国具有开发太空资源的能力。需在现有国际条约基础上，各国加强交流合作，深化对太空资源开发涉及的政治、经济、文化、科技等多角度的认识，协商解决太空资源开发涉及的各类问题。
