月球原位資源利用技術(shù)研究

李志杰 果琳麗 （中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部）

月球原位資源利用技術(shù)研究

Research on the Technology of Lunar In-situ Resource Utilization

李志杰 果琳麗 （中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部）

月球上含有豐富的能源和礦產(chǎn)資源，太陽能和氦-3等都是地球能源之外的重要補充與額外儲備，如能解決月球原位資源的開發(fā)與利用技術(shù)，則月球?qū)τ谌祟惗裕褪且粋€幾乎取之不盡、用之不竭的能源寶庫，同時也能夠為人類后續(xù)建造載人月球基地奠定基礎(chǔ)。

1 引言

繞月探測、落月探測、采樣返回是人類開展月球探測的初級階段，自1969年阿波羅－11（Apollo－11）首次成功實現(xiàn)載人登月以來，美國先后6次將12名航天員送上月球，對月球開展了實地科學(xué)考察與采樣返回。載人登月條件下的月面資源原位探測活動是人類深化對月球的科學(xué)認識，以及深度勘察并開發(fā)月球資源的有效途徑。為此，從20世紀80年代開始，國際上出現(xiàn)了月球資源原位探測與利用的研究熱潮，典型代表是美國航空航天局（NASA）提出并實施的“原位資源利用”（ISRU）計劃。

原位資源利用技術(shù)是通過勘測、獲取和利用地外天體的天然或廢棄資源，使人類真正走出地球、邁向深空并可持續(xù)發(fā)展的過程中必不可少的基礎(chǔ)之一。利用該技術(shù)，未來航天員可以在地外天體利用當?shù)刭Y源礦產(chǎn)制造推進劑、水、氧氣、結(jié)構(gòu)部件或其他物品，增強空間自給自足能力，減少對地球供給的依賴，從而使得地外天體的原位資源利用和地外天體基地的建設(shè)成為可能。以月球為例，運輸成本約為50000～90000美元/kg，如果在月球上生產(chǎn)1000kg的氧氣，用于推進劑和航天員生命保障的支持，則可節(jié)省8000kg的近地軌道發(fā)射質(zhì)量。因此，為了實現(xiàn)有人參與的深空探測任務(wù)的持續(xù)發(fā)展，必須充分利用地外天體自身的資源進行生產(chǎn)利用，盡量形成自給自足的資源利用能力，這是實現(xiàn)月球、火星等長期探測任務(wù)的關(guān)鍵要素。

原位資源利用技術(shù)可以包括四個部分：①對目的地勘測、勘探和測繪指確定可利用資源的過程，可以通過無人探測任務(wù)來完成；②資源獲取是指原始資源的采集和預(yù)處理過程；③加工和生產(chǎn)指原始資源轉(zhuǎn)化為推進劑、能源、生保等消耗品的過程；④制造產(chǎn)品與基地設(shè)施安置指支持原位資源利用的工廠和設(shè)備支持。針對保障人員的問題，需要重點關(guān)注的是行星表面物質(zhì)利用，消耗品的提取、收集與利用，土壤建筑材料的利用等。

2 月球原位資源利用需求分析

月球基地建設(shè)與常駐人口的需要

月球基地是實現(xiàn)人類移民外星球夢想的基石，是人類征服太陽系、開展深空探測的前哨陣地和中轉(zhuǎn)站。圍繞月球基地進行的人類長期居住、生產(chǎn)、實驗以及資源開發(fā)利用，均需要月表資源來維持。需求主要包括基地的建造，氧氣和水的制備，生活用品的加工，居住環(huán)境的維持等。

（1）月球基地建造

為了建設(shè)月球基地，在月球上進行礦產(chǎn)開采等活動，就必須解決建筑材料的問題，應(yīng)當盡可能就地、就近利用材料開展各種工程建設(shè)。月壤物質(zhì)具有的防輻射、隔熱、抗撞擊等特性，用它來建造的建筑材料將會更安全、穩(wěn)定、牢固。因此，開采月壤并進行建筑材料加工是建造月球基地的關(guān)鍵。

月球混凝土是月球基地建設(shè)的首選材料。在地球上，混凝土廣泛應(yīng)用于人造建筑材料?；炷劣伤嗪吞畛洳牧匣旌蠘?gòu)成，其優(yōu)點是在環(huán)境溫度下強度不斷加強、密度低、熱和電的絕緣性高、不可燃、無毒。除了水之外，其他材料均可從月壤中獲取?；诖?，混凝土可作為在月球上修建月球基地以及其他月面設(shè)施的重要建筑材料。此外，月壤的化學(xué)成分中，二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣的含量均達到普通建筑陶瓷的要求，因此也可以直接利用月壤作為主要原料制備建筑用的磚。

（2）氧氣和水

眾所周知，人類的生存是離不開氧氣的，因此空氣的制備是基地建設(shè)中最為重要的環(huán)節(jié)之一。氮氣、氧氣、二氧化碳等氣體是地球上空氣的主要成分，而且這些氣體均可從月壤中制取。水是生命之源，是月球上航天員賴以生存的必需品。為了維持生命，航天員每天都需要飲入一定量的水。同時，水可應(yīng)用于月球基地內(nèi)部的環(huán)控生保系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)等。因此，水是人類開發(fā)利用月球資源的前提。在月球上，水的來源主要是存在于極地永久陰影區(qū)的水冰。

（3）生活用品

人類居住過程中各類生活用品需要加工制造，比如餐具、窗玻璃以及容器等。月壤的主要成分為氧化硅、氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、氧化亞鐵、少量的氧化鈉、氧化鈦，這些原料及月壤中的玻璃質(zhì)原料可制成玻璃纖維。制備玻璃纖維是很成熟的傳統(tǒng)工藝。玻璃纖維主要用于材料增強作用。由于玻璃產(chǎn)品的加工生產(chǎn)不需要水的參與，原料也是就地取用，因此月球上的生活用品主要以玻璃材質(zhì)為主。

月面生產(chǎn)與科學(xué)研究能源的需要

由于月面上需要進行類似于地球上的生產(chǎn)活動，比如對礦物的開采、精選和提煉等，因此需要消耗一些能源，月球上的氦-3便是最佳選擇。氦-3是人類未來可長期使用的、清潔、安全而廉價的可控核聚變?nèi)剂?，其他副產(chǎn)品（如氫、氮、二氧化碳等）也將是月球基地生命保障體系的重要資源。除此之外，氦-3是一種絕對清潔的燃料，和氫的同位素氘發(fā)生核聚變反應(yīng)能產(chǎn)生龐大的電能，而在反應(yīng)過程不會產(chǎn)生任何放射性廢料。因為使用氦-3的熱核反應(yīng)堆中沒有中子，只會產(chǎn)生沒有放射性的質(zhì)子，故使用氦-3作為能源時不會產(chǎn)生輻射，不會為環(huán)境帶來危害。

地球上人類可持續(xù)發(fā)展的需要

月球上的資源除了滿足月表上各類需求外，還需要為地球上的人類發(fā)展提供補給，以緩解地球上的資源短缺問題。

（1）能源需求

月球特殊的環(huán)境因素使其表面能夠高效地獲取太陽能，因此可以發(fā)展相關(guān)技術(shù)將月球上豐富的太陽能傳輸?shù)降厍蛏希越鉀Q地球的能源短缺問題。此外，地球上的氦-3儲量僅有15～20t，但在月壤里儲量豐富，轉(zhuǎn)化成核能后足夠地球使用千年以上。因此，月球上的太陽能和氦-3能在很大程度上解決地球上的能源危機。

（2）礦產(chǎn)需求

由于地球上某些礦產(chǎn)資源有限或者需求量大，例如月海玄武巖中富含的鈦鐵礦和克里普巖中的稀土元素、鈾、釷等，因此我們需要大力開發(fā)月球礦產(chǎn)資源，再運回地球作為資源儲備。

3 月球原位資源利用規(guī)劃

月面原位資源利用主要可分為5個過程，即月面資源探測、月面資源開采、月面資源運輸、月面資源分離與提取和產(chǎn)品存儲。

1）月面資源探測。這是進行月面資源利用的第一階段，其主要目的是對月面資源的類型、分布進行全面的評估。資源探測從初期載人登月任務(wù)開始就已經(jīng)開展，不過載人登月任務(wù)周期短，作業(yè)能力有限，因此對月面資源的探測能力不足，得到的資源分布數(shù)據(jù)存在局限性。隨著載人月球探測不斷開展，月球資源的探測范圍不斷擴大，手段也日趨豐富，人們對月球資源的認識也不斷增加。在月球基地時期，對月球資源的探測將出現(xiàn)全方位的模式，包括衛(wèi)星遙感探測、機器人實地探測等。其中機器人實地探測是在航天員或者自主系統(tǒng)的監(jiān)控下進行月面資源的采樣和分析，為月球資源的開發(fā)和利用提供數(shù)據(jù)。

2）月面資源開采。月面資源類型多樣，形態(tài)各異，分布范圍也有所不同，因此月面資源的開采形式也不相同，如月面資源挖掘開采，深層資源鉆取開采，水冰與氣態(tài)資源的收集等。月面開采工作需要大型月面作業(yè)機械的支持。月面資源開采的主要內(nèi)容包括：開發(fā)資源確定→設(shè)施部署→啟動開采系統(tǒng)→實施月面開采。

3）月面資源運輸。其包括資源的封裝與運輸，是連接資源開采和利用的紐帶。由于月面溫差大，環(huán)境變化快，因此需要利用月面封裝設(shè)備對資源進行封裝處理，避免資源遭受污染或發(fā)生相態(tài)變化。通過資源的月面運輸，將開采的資源運送到指定的加工場所進行生產(chǎn)加工，以獲得月球基地所需要的資源產(chǎn)品，涉及到的作業(yè)系統(tǒng)包括載重運輸月球車等。

4）月面資源分離與提取。在獲取原位資源后，需要根據(jù)需求進行資源的分離工作，目的在于獲取要進行處理的目標資源。得到較為純粹的資源后，利用專業(yè)的資源提煉設(shè)備，通過物理/化學(xué)等手段將資源進行分類、分解和還原，制造月球基地所需要的產(chǎn)品。

5）產(chǎn)品存儲。對生產(chǎn)出來的水、氧、氫等各種產(chǎn)品進行封裝存儲。

全部過程由航天員執(zhí)行監(jiān)控與管理，部分設(shè)備的執(zhí)行通過航天員的操作來完成，設(shè)備出現(xiàn)故障時，航天員參與維修作業(yè)。

月面實地資源探測與利用包含的設(shè)備有：①月球探測機器人用于月球資源探測和評估；②挖掘機/鉆進車等月面資源開采設(shè)備主要用于月球資源的開采；③載重運輸月球車用于月面開采資源的封裝與運輸；④資源分離與提煉設(shè)備用于水、氧、氫、氦-3資源等的制備；⑤封裝存儲設(shè)備用于產(chǎn)品的封存。

4 月球原位資源探測

對于月球原位資源的探測應(yīng)當采取一種“天地結(jié)合”的綜合探測方式，主要探測方案應(yīng)當包括在軌探測和月面機器人探測，探測范圍將覆蓋整個月球。

在軌探測

在軌探測是利用月球遙感衛(wèi)星對月球進行全面的資源探測，這一過程從月球探測任務(wù)初期就開始進行，并一直延續(xù)至月球基地時期。在軌探測主要是利用高分辨率X射線譜儀、γ射線譜儀、多波段成像光譜儀等探測設(shè)備，對月球的水資源、礦產(chǎn)資源等進行探測，形成全面的、綜合的評估結(jié)果，支持月球基地資源開發(fā)目標的選擇。

月面機器人探測

采用月面機器人進行月面機動探測是在對月球全球資源初步了解的基礎(chǔ)上進行的定點探測。這種有目的性的探測是為了獲取資源的樣本，詳細分析資源的信息，為資源的開發(fā)提供目標。機器人的月球機動探測主要在航天員的監(jiān)控下進行月面的自主探測或遙自主探測。月面機器人具備長期持續(xù)作業(yè)的能力，因此必須具備太陽能電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)，可以進行晝夜條件下的工作。白天通過太陽能進行供電，并對蓄電池進行儲能；夜間利用蓄電池維持動力，或者通過核能源的方式進行長期持續(xù)供電。此外，機器人應(yīng)具有極強的月面地形地貌適應(yīng)性，因此月面輪腿式、巡飛式或者跳躍式是一種較為理想的選擇。

5 月球原位資源開采

月球基地時期的資源開采規(guī)模大、種類多，因此資源開采主要通過月面大型作業(yè)設(shè)備進行，如月面挖掘機、鉆取機等。開采的資源需要利用月面運輸設(shè)備進行運輸，從而建立資源開采區(qū)和資源提煉區(qū)的作業(yè)鏈。

6 月球原位資源利用

通過月球原位資源利用技術(shù)可以在月球上生產(chǎn)制造維持月球基地正常運營的消耗品，如氧資源、氫資源、水資源、能源、建筑資源等。這些資源均可從月壤、礦石、水冰以及揮發(fā)物等資源進行提取。

水冰提取方案

水對于人類生命活動的意義不言而喻，因此人類想要在月球建立基地并長期生活，在月球上尋找或者制備水就成為了一個必要的前提。國內(nèi)外開展的無人月球探測表明，在月球極區(qū)隕石坑的永久陰影區(qū)可能有水冰資源的存在。2010年，印度月船－1探測器的探測數(shù)據(jù)表明，月球北極可能存在約為6×108t的水冰。這些探測結(jié)果為人類的月球探測與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，但月球存在水資源是以固體（水冰/月壤混合物、結(jié)晶水）的形式存在的，因此為滿足月球基地乘員生存和及動植物種/養(yǎng)殖所需的水資源，需要一個較大規(guī)模的水資源提取系統(tǒng)。

在長期任務(wù)中，對月壤/水冰混合物（臟冰）和含有結(jié)晶水的礦物進行采集，通過加熱的方式獲取基地所需的大部分水資源，同時利用冷凝方法獲得初態(tài)水，再利用過濾設(shè)備進行過濾處理，獲得較為純凈的水資源。

礦物資源綜合利用

在月球基地建設(shè)中，由于從地球補給的運輸成本相當昂貴，最大限度的原位開采和使用月球資源變得至關(guān)重要。月壤和巖石含有大量的礦產(chǎn)資源，比如硅、鐵、鈦、鋁、鎂，含有這些元素的礦物經(jīng)過采集并進行物理處理后，通過加熱、還原反應(yīng)等設(shè)備進行提煉，產(chǎn)生所需的金屬、水、氧氣、氫氣、玻璃等資源月球原位提煉的金屬材料，這些材料還可以用來制造月球基地的結(jié)構(gòu)、工具、機構(gòu)等，而氧氣的提取可以彌補水冰資源的消耗。

此外，由于月球表面沒有大氣層的影響（反射、散射和吸收），每年到達月球范圍的太陽光輻射能量高達12×1012kW，相當于目前地球上1年消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的2.5萬倍，而且月球上不存在建筑物等的限制，因此可無限制地鋪設(shè)太陽電池板。太陽電池陣發(fā)電效率較低，需要大規(guī)模布置，利用月面礦物資源對其開展原位制造是最經(jīng)濟的解決途徑。

利用原位資源的建造

由于月球表面特殊的高真空、強輻照、晝夜冷熱交變等環(huán)境，在月球表面活動需要進行冷、熱、電磁、防微流星體撞擊等防護。修建適合人類居住的場所是月球基地建設(shè)的必要條件，它可以在月球上有效地保障人的生存環(huán)境。另外，月球表面不存在大氣，在飛行器起飛和著陸時，發(fā)動機羽流會揚起月球表面大量的塵土、沙礫等，高速的沙礫對月球表面的建筑和設(shè)備構(gòu)成極大的威脅。因此，為著陸架修建堅硬的路基及防護屏障對居住設(shè)備具有很大的保護作用。大多數(shù)的月球基地計劃都是將結(jié)構(gòu)和建筑材料從地面轉(zhuǎn)移至月球，然后在月球組裝，這種模式的運輸成本非常高，對于大型月球基地的建造是不可能的。而比較經(jīng)濟和可行的方式是進行月面原位資源建造，同時結(jié)合數(shù)字制造技術(shù)用于月球基地的建設(shè)。

采用多自由度機器人原位利用月球表面月塵資源進行3D打印建筑結(jié)構(gòu)及材料無疑是月面建造基地的有效途徑。采用3D打印技術(shù)可以根據(jù)圖紙設(shè)計需求打印出任意結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)，在月面3D打印技術(shù)中，多種月塵固化途徑可供月面基地建設(shè)選擇，如微波燒結(jié)、太陽能光波積熱熔融、單組份原位固化、多組分原位固化技術(shù)等。

通過可移動的3D打印平臺，配合月面月壤、月塵等的采集、過濾、處理、噴涂等系統(tǒng)，共同構(gòu)成打印過程，并采用相應(yīng)的粉體成型手段，建造出月面建筑結(jié)構(gòu)。

1）微波燒結(jié)操作。微波燒結(jié)是在月球表面原位利用微波能量控制燒結(jié)熔融月球表面月塵或月壤的技術(shù)。在300MHz～300GHz范圍內(nèi)對物體加熱，通過微波在物料內(nèi)部的能量耗散直接加熱物料，使用微波原位熔融月壤及月塵，可以鋪路，減少月球表面的揚塵，或是制造大型結(jié)構(gòu)材料。

2）光波導(dǎo)熔融操作。光波導(dǎo)太陽能集熱光纖可以收集太陽能，并將太陽能通過光纖波導(dǎo)精確定位在需要熔融的月塵或月壤表面，因此，配合3D打印技術(shù)的材料輸送系統(tǒng)，可以原位熔融制造各種結(jié)構(gòu)材料或是建筑結(jié)構(gòu)。光波導(dǎo)設(shè)備的表面拋物線鏡面結(jié)構(gòu)可以收集反射太陽能，因此通過聚光后的光線溫度可以超過1150℃（NASA聚光熔融實驗）。該溫度條件可以實現(xiàn)月球表面月塵的熔融或是對鈦鐵礦的熔煉，獲取金屬和建筑結(jié)構(gòu)材料。

3）原位澆筑操作。原位澆筑技術(shù)可以使用半流體漿料成型具有一定強度的各種三維結(jié)構(gòu)。另外，采用粘結(jié)劑將月球表面月塵和月壤粘結(jié)在一起，也可以形成具有力學(xué)強度的結(jié)構(gòu)材料。比如，硫化澆筑技術(shù)可以用于月球表面月塵和月壤的固化成型，并且獲得足夠的結(jié)構(gòu)強度。月球表面存在硫鐵礦（FeS），經(jīng)過冶煉可以分別獲取鐵及硫資源。硫化澆筑技術(shù)不同于傳統(tǒng)的水性混泥土澆筑，該技術(shù)不存在真空條件下的水揮發(fā)問題，將月球表面月塵、月壤、沙礫等成分和硫粉混合，經(jīng)加熱后冷卻，形成的混凝材料的強度可以超過17.24MPa，且材料的固化非常迅速。配合材料輸送和數(shù)字打印技術(shù)，該技術(shù)可以建造出任意的建筑結(jié)構(gòu)。經(jīng)過安裝、固定、密封艙門等設(shè)備，使用3D打印成型技術(shù)即可滿足人類的短期居住問題，為進一步的長期探測和月球開發(fā)提供場所，為實現(xiàn)資源的綜合開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

7 小結(jié)

月球的礦產(chǎn)資源、能源資源和特殊環(huán)境資源將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮長期穩(wěn)定的支撐作用，地-月系不僅是一個統(tǒng)一的自然體系，而且在人類社會的可持續(xù)發(fā)展方面，也將構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體。開展載人登月任務(wù)和月球基地任務(wù)的研究，將是實現(xiàn)載人月球探測目標的最實際的行動，通過人機聯(lián)合的作業(yè)方式，加快月球探測目標的完成，推動社會、科學(xué)、軍事等方面的快速發(fā)展。

月面資源的利用將主要面向月球基地時期的月球探測任務(wù)，尤其是載人月球基地，將有大量的航天員在月面駐留和作業(yè)，因此消耗品的供給不可能完全由地面運輸來實現(xiàn)，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須利用月面原位資源進行生產(chǎn)，自給自足。因此，月面資源的利用技術(shù)必然是未來開展月球探測的一項重要技術(shù)。