未來月球冶金工藝方法探索

供稿|陳志遠(yuǎn)，周國治/CHEN Zhi-yuan，CHOU Kuo-Chih

月球基地是科幻電影中的經(jīng)典影像，而在美國 NASA 的項目中，實際上也開展了不少的相關(guān)研究。其涉及面之廣，從機械到建筑、從水的收集到能量的傳輸、從資源的探測到氧氣的制造，NASA 作出了不少系統(tǒng)的規(guī)劃和研究[1-2]。這些研究的目的就是建立一個自給自足的月球基地。我國的太空技術(shù)起步較晚，但正在奮起直追。在基本完成不載人月球探測任務(wù)后，我國也提出根據(jù)我國的國情和國力實施載人登月和月球基地的建設(shè)[3]。

可以預(yù)見的是，集能源、采礦、冶金、氣體制造為一體的月球工業(yè)工程必然是月球基地得以建立和維持運轉(zhuǎn)的可靠保證。NASA 主導(dǎo)開展的原位資源利用 (In-Situ Resource Utilization, 簡稱 ISRU) 研究正是實現(xiàn)這一工程的努力[2]。

然而在現(xiàn)有的研究中，冶金學(xué)家參與的并不多。而地理學(xué)家們在月球資源探測方面則做了大量細(xì)致的工作?；W(xué)家們在利用這些資源制造氧氣工程上也提出了系統(tǒng)的方法。金屬材料是人類活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，但是月球冶金現(xiàn)在只有零星的研究，而在我國更是沒有相關(guān)的工作公布出來。月球基地的建立需要長期的準(zhǔn)備，我國在這方面的研究需要提早建立起來。

空間技術(shù)的發(fā)展有兩重作用，一方面是滿足人類不斷探索宇宙奧秘的追求，促進(jìn)空間技術(shù)本身的發(fā)展；另一方面則是通過空間技術(shù)的發(fā)展，帶動相關(guān)科技的進(jìn)步。因此，月球冶金工業(yè)研究不僅是為未來太空基地建立做的準(zhǔn)備。現(xiàn)代冶金面臨著資源短缺、能源危機雙重困難，因此亟需可持續(xù)可循環(huán)的新冶金流程。月球冶金的開展也能為冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。

月球的能源和資源

月球冶金工業(yè)開發(fā)計劃應(yīng)是基于月球表面礦產(chǎn)資源和能源狀況設(shè)計的。

月球的能源儲備

太陽能是主要的太空能源，但月球光照時間較短，其在月球上的應(yīng)用需要考慮能源的大規(guī)模存儲問題，這需要與燃料電池等設(shè)備的連用。此外，核能也是高效的能源來源。月球上數(shù)百萬噸的3He 作為核聚變原料如果能開發(fā)出來，將提供源源不斷的能源。月球兩極數(shù)十億噸的水冰電解產(chǎn)生的氫也能提供豐富的能源[4]。

月球冶金工業(yè)方式

月球上最適合的能量傳輸方式是無線的電能傳輸。無線電輸 (wireless power transmission, WPT)，就是用微源或激光器把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ɑ蚣す猓缓笥商炀€發(fā)射出去，大功率的電磁射束通過自由空間后被接收天線收集，經(jīng)微波或激光整流器后重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟奫5]。因此，直接利用電能的冶金方式是月球冶金工業(yè)較為合適的實現(xiàn)方式。

月球表面環(huán)境是處于高度真空中，因此地球環(huán)境下金屬冶煉和加工過程中的氧化問題可以避免，另外真空冶煉的種種好處也可以輕易實現(xiàn)。但是由于月球氣態(tài)氧獲取比較困難，而且按目前科技水平估算從地球運輸氧氣到月球的成本約為 5～9 萬美元/t[6]，因此高溫冶金中常用的氧氣吹煉工藝是不適宜的。

月球的礦產(chǎn)資源

目前對于月球表面礦物組成的探索主要通過三種方法完成：繞月飛行器的遙感觀測，月球探測器登月實地采樣以及對于月球隕石的研究。通過這些方式，已經(jīng)分析出了豐富的信息。

月球表面的月壤中包含豐富的礦產(chǎn)資源。作為月球主要的冶金礦產(chǎn)，鈦鐵礦以萬億噸計。另一種高地三大巖石類型之一的克里普巖中蘊藏的稀土元素資源量也以超過百億噸計。另外還有鎂、鉻、鎳、銅等豐富的金屬資源[7]。月球的微塵中存在納米級的金屬鐵[8]，也許可以用直接的高溫熔分的辦法通過這一特殊的資源獲取金屬鐵。

與地球表面不同，月球表面的礦物開采和利用方案設(shè)計中，一個重要的問題是月壤的特殊性質(zhì)。比如除去礫石的月壤非常細(xì)小，體積密度僅有 1.5 g/cm3左右。其中 10%～20% 為 20 μm 以下的微塵，容易造成機械設(shè)備的磨蝕[8-9]。因此，針對月壤特點，需要一種量身定制的冶金方法。

圖1 月壤中元素的組成[10]

月球冶金工藝流程

月球開發(fā)的基礎(chǔ)工程——原位資源利用的研究主要是針對氧氣和燃料、能源的制造進(jìn)行研究的。因為氧氣對于月球基地中人的生存至關(guān)重要，而燃料能源的提取，才能為月球工作的開展和航天器、探測設(shè)備的運動提供動力支持。但是，ISRU 要對月壤中的礦產(chǎn)資源進(jìn)行提取，必然要涉及到冶金工藝方法。

作為原位資源利用工程中的重要組成部分，制氧工藝主要是以氧化物礦物為原料，通過各種途徑分離出氣態(tài)氧，在這一過程中，金屬作為副產(chǎn)物生產(chǎn)出來。冶金中常用礦物鈦鐵礦是 ISRU 制氧工藝中的主要考察對象之一[11-12]。當(dāng)前研究中的工藝主要有三種：高溫電解法、氣基還原法和高溫自蔓延法。

高溫電解法

除了需要用到大量由地球提供氯化物原料的熔鹽電解法[13]以外，另一種方法是電解融熔態(tài)礦物的熔巖高溫電解法。如在 1600℃ 通過以下電解礦物反應(yīng)生產(chǎn)金屬鐵和硅[14]：

圖2 為 McCullough 等[15]給出的熔巖電解工藝裝置設(shè)計。

礦物熔點控制和設(shè)備的選取是這一工藝的關(guān)鍵點。通過配礦降低原料熔點至合理值后，可以使用電熱方法加熱其至熔融狀態(tài)，然后電解。由于電解產(chǎn)物中的氧氣需要收集，因此需要保證裝置的氣密性。為保證金屬液的順利導(dǎo)出，導(dǎo)流槽設(shè)計也十分重要。由于熔巖高溫電解法原則上只需要提供足夠的電能，對地球提供資源依賴性不強，因此原理上是最簡單易行的方法。

氣基還原法

氣基還原法包括氫還原、碳基燃料還原、氟還原、碳熱氯化還原法等方法。流化床還原是氣基還原中常用的工藝形式。如圖3 所示的是聯(lián)合了氫氣制造裝置的氫還原鈦鐵礦流化床設(shè)備。

圖2 月球表面巖石熔融電解池設(shè)計圖[15]

圖3 氫還原月壤中鈦鐵礦的流化床裝置[12]

Balasubramaniam[16]提出了一種碳基燃料還原方法：在月球上利用高溫還原，從甲烷中獲得氫氣和一氧化碳，同時在熔化的月塵中也會產(chǎn)生金屬。他認(rèn)為，由于月塵具有很差的差熱傳導(dǎo)性質(zhì)，因此可以將收集的月塵用激光等加熱熔化，從而形成有類似無定形耐火材料的月塵不完全包覆的熔滴。甲烷在熔滴表面通過時，氣體分解，會產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，并且還原出金屬。另外，他還提出了用于預(yù)報這種資源開采利用過程生產(chǎn)速率的模型。

這一工藝中所用到的甲烷可以借用火星ISRU 開發(fā)中提到的技術(shù)[17]：用 Ni 催化劑的固體氧化物燃料電解池 (SOEC) 在 673 K 時通過反應(yīng) CO2+4H2→CH4+2H2O 以及水的電解反應(yīng)生產(chǎn)。鋁基釕催化劑可以在 573 K 以下使上述電解反應(yīng)發(fā)生，并且不會產(chǎn)生有毒的鎳羰基化合物。當(dāng)然，也可以直接在 1373 K 下還原二氧化碳。二氧化碳原料為人類呼吸產(chǎn)生或由地球運送，水則依賴月球兩極的冰資源。

大部分的氣基還原方法都需要地球運送還原用氣體到月球上，這樣會花費很大的成本。另外，氣體在還原設(shè)備中的密封及循環(huán)使用問題都需要解決。氟還原方法和碳熱氯化還原法還面臨著設(shè)備腐蝕防護(hù)的問題?？紤]資源的易得性和可持續(xù)性，氫還原法應(yīng)該是氣基還原工藝中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法。

高溫自蔓延法

高溫自蔓延 (燃燒) 合成 (SHS) 方法[18]可以在無氧環(huán)境和微重力環(huán)境中應(yīng)用，在太空中這種技術(shù)的靈活性和適應(yīng)性很好，并且具有多用途的特點。有文獻(xiàn)報道，月壤中鈦鐵礦 SHS 方法主要有兩個反應(yīng)[18]：

其中，鎂熱還原反應(yīng)不需要碳作為原料加入，因而被認(rèn)為更具發(fā)展前途。文獻(xiàn)中對適應(yīng)月壤條件的 SHS 方法作了詳細(xì)的研究，其中圖4 是通過 SHS 工藝冶煉出的產(chǎn)品。

S H S 方法的好處是不需要外部能源，但是 Mg 和 Al 的循環(huán)利用以及渣金分離是這一工藝需要解決的問題。

圖4 以模擬月壤為原料通過 SHS 方法生產(chǎn)的產(chǎn)品[18]

結(jié) 語

月球冶金方法的優(yōu)劣應(yīng)以資源的循環(huán)利用、設(shè)備的穩(wěn)定性、工藝的簡易性以及流程的自動化程度來判斷。以上可用于月球的冶金方法對資源及能源的需求各不相同，高溫電解法和氫還原法對地球資源依賴程度低，是最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。盡管月球 ISRU 研究已經(jīng)積累了大量的工作經(jīng)驗，但是在現(xiàn)有的 ISRU 研究偏重方向并不在金屬提取上，因此冶金學(xué)家在相關(guān)工藝方法中可以做和需要做的工作還很多。

冶金學(xué)家在電解提取和凈化金屬、氣基還原方面都有豐富的經(jīng)驗。如無污染脫氧法[19-20]及氫冶金的研究就為冶金學(xué)家開展月球冶金新方法的研究打下了基礎(chǔ)。新的研究方向不但會為冶金這一古老的學(xué)科注入新的活力，也必然會推動我國太空技術(shù)的發(fā)展。

致 謝

感謝國家重大基礎(chǔ)研究項目“973”專項資助 (No.2012 CB 215405)。

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