外太空冶金*

宋云峰，趙中偉，劉旭恒

中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙 410083

俄羅斯航天先驅(qū)康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里?！币环矫?，隨著技術(shù)發(fā)展人類總會邁出地球，實現(xiàn)太空移民的，而人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)就是資源。另一方面，在地球資源面臨日益枯竭之虞，人類在地球環(huán)境中實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展方面正面臨巨大挑戰(zhàn)，這迫使人類到地球之外去尋找新的資源。

太空是個巨大的礦產(chǎn)資源寶庫。月球、火星和小行星等天體上，蘊藏著很多地球上緊缺的礦產(chǎn)資源。例如：月球上含有豐富的鈦鐵礦、稀土、鈾、釷，以及地球上極為稀有的核聚變能源材料“氦-3”；火星含有大量氧化鐵及鍺、鑭、鈀、銠、金銀等；小行星“Germania”上所含有的礦產(chǎn)資源，評估價值更是達(dá)到95.8萬億美元[1-3]。外空資源給全球經(jīng)濟(jì)帶來的增長潛力無疑將是指數(shù)級的，也是可持續(xù)的。今天，人類正在通過開發(fā)豐富的外空資源來實現(xiàn)新的偉大飛躍。

事實上，外空資源開發(fā)是航天事業(yè)和空間應(yīng)用的前沿領(lǐng)域，也是近年來國際空間外交舞臺及各國航天科技界熱議的話題。2015年11月，美國時任總統(tǒng)奧巴馬簽署了《2015年外空資源探索和利用法》，明確外空礦物資源開采后的所有權(quán)歸屬，引發(fā)國際社會熱議。盧森堡也積極推進(jìn)外空采礦立法，開了歐洲先河，成為太空活動的積極參與者。2017年6月在北京舉辦的“全球航天探索大會”上，深空探測成為舉世矚目的熱點話題。目前，已經(jīng)有行星資源公司(Planetary Resources)、深空工業(yè)公司(Deep Space Industries)等計劃開發(fā)外空礦物資源。

2018年2月由埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的太空探索公司(Space X)發(fā)射“重型獵鷹”運載火箭，并成功完成兩枚一級助推火箭的完整回收，將商業(yè)航天技術(shù)又向前推進(jìn)了一大步。中國的航天技術(shù)也發(fā)展迅速，2016年中國的火星探測任務(wù)批準(zhǔn)立項，隨著后續(xù) “嫦娥五號”月球探測器的發(fā)射，以及首次開展月面無人鉆孔取樣返回實驗，中國探月工程將邁出關(guān)鍵步驟[3]。航空事業(yè)的快速發(fā)展給我們開發(fā)太空資源打下了堅實基礎(chǔ)，而在太空資源的開采和太空基地的建設(shè)中，冶金工業(yè)作為其他建設(shè)項目的原材料供給者是必不可少的[4-5]。

人類對任何事物、任何自然現(xiàn)象的認(rèn)識，都會受到環(huán)境條件及相關(guān)因素的制約，冶金也不例外。目前使用的冶金理論和規(guī)律大多是在地球這個特定的環(huán)境中產(chǎn)生的。外太空與地球有著截然不同的環(huán)境，在地球環(huán)境下發(fā)展起來的冶金理論和工藝直接照搬到外太空環(huán)境必然會面臨“水土不服”的問題。比如，我們賴以生存的地球大氣有特定的含氧量(21%)，特定的重力場(地表的重力加速度為9.8 m/s2)，傳統(tǒng)的冶煉過程大多是在地球大氣環(huán)境中進(jìn)行的。然而在外太空中，環(huán)境可能與地球截然不同，比如微重力、高真空，以及天體環(huán)境的化學(xué)組成也迥然不同，這些都會導(dǎo)致元素的化學(xué)行為規(guī)律發(fā)生顯著變化，使得原來的冶金過程難以進(jìn)行，或者根本無法進(jìn)行。環(huán)境中元素的豐度往往是制約各種化學(xué)過程的重要因素，如據(jù)地質(zhì)學(xué)家杜樂天的研究，構(gòu)成地球殼幔巖石的主體是氧(O2-)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.6 %，原子數(shù)分?jǐn)?shù)則為62.55 %，體積更是占了全巖、全礦物的91.97 %，也就是說其他陽離子體積加在一起也只不過8 %～9 %。我們可以將巖石、礦物想象為氧離子的緊密堆積體，巖石、礦物之間的反應(yīng)雖然千變?nèi)f化，但氧離子可以看作是基本不動的，只是其他陽離子的帶入帶出。因此在地面上，礦物學(xué)、冶金學(xué)的理論根基是氧的地球化學(xué)[6]。但是外太空環(huán)境組成與地球截然不同，如在太空隕石這種極度缺O(jiān)富S的環(huán)境中就可以生成隕硫鈣石(CaS)，而在地球環(huán)境條件下就不會有天然CaS礦物存在。再如：地殼中鉑品位僅為0.003 g/t，而發(fā)現(xiàn)的2011 UW-158小行星核心含有約一億噸白金；地球表面大氣主要是N2、O2，而金星表面大氣主要是CO2。不僅如此，重力條件實際也深刻制約著冶煉單元過程的反應(yīng)工程學(xué)和操作條件，如熔池熔煉時，輕的爐渣相上浮，重的锍相及金屬相下沉，重力場的作用使得不同的冶煉相得以順利分離。反之，在外太空的微重力環(huán)境下，渣和金屬將無法分離。在外太空的超重力環(huán)境下，雖然會強化不同相的分離，但又不利于混合，而且采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冶煉設(shè)備未必能夠承受數(shù)倍乃至數(shù)十倍地球重力的相同物料的作用。

綜上所述，在外太空條件下，已有的冶金知識和規(guī)律可能已不再完全適用了。本文根據(jù)目前了解的外太空環(huán)境條件，嘗試對外太空冶金作一些初步的探討。

1 超高真空環(huán)境冶金

我們的冶金都在地球大氣中進(jìn)行，地球表面大氣壓強為一個大氣壓(1.01×105Pa)，與此對應(yīng)，冶金理論工藝也是在一個大氣壓條件下建立的。冶煉過程環(huán)境氣壓一般變化不大，可以看作恒定值，因此在進(jìn)行熱力學(xué)分析時，氣壓往往不作為變量考慮，在應(yīng)用吉布斯相率計算時f=C-φ+2簡化為f=C-φ+1。在冶金中廣泛運用的埃林漢姆圖是一切氧化物冶金的基礎(chǔ)，不過也僅僅適用于地球表面一個大氣壓的情況。在不同環(huán)境的外太空中，氣壓本身可能是變值或者比較極端，可能是超高真空，也可能超高壓，氣體成分也不盡相同，因此考慮外太空時需要重新構(gòu)建冶金理論，各種情況千變?nèi)f化不可能一一考慮，這里就以超高真空為例作一個探討。

1.1 外太空條件下氧化物的穩(wěn)定性變化

隨著溫度升高金屬氧化物的穩(wěn)定性降低，分解出O2，其自身變成低價氧化物或者金屬單質(zhì)。在地球上，金屬與氧親和勢大小(也即氧化物穩(wěn)定性)的理論判據(jù)，一般是采用埃林漢姆圖。金屬氧化物的氧勢與溫度關(guān)系曲線在埃林漢姆圖中的位置越低，說明此金屬對氧的親和勢越大，越穩(wěn)定。埃林漢姆圖是以一個大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)繪制而成，同樣地，若以外太空環(huán)境氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，就可得到外太空埃林漢姆圖。以月球為例，其表面大氣壓僅為1.3×10-7Pa，當(dāng)系統(tǒng)只有O2一個氣相時，以月球環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的埃林漢姆圖與地球的相比發(fā)生了RTln(Pθ/P月)的偏移。選取CuO和TiO2兩種典型氧化物，在地球和月球的埃林漢姆圖如圖1所示。由圖1可知，在月球環(huán)境下，CuO和TiO2的穩(wěn)定性均下降，且在地球原本很穩(wěn)定的TiO2，到了月球環(huán)境下，穩(wěn)定性竟然還不如在地球的CuO了。由此可知，在外太空環(huán)境中，我們需要重新構(gòu)建埃林漢姆圖來判定氧化物的穩(wěn)定性。

圖1 CuO和TiO2在地球和月球上的埃林漢姆圖

根據(jù)文獻(xiàn)以及熱力學(xué)數(shù)據(jù)[7-9]，我們計算了幾種典型的金屬氧化物，其在高真空中分解的熱力學(xué)行為如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)氣壓對幾種典型金屬氧化物分解溫度的影響(1 atm=101.325 kPa)

由圖2可知，金屬氧化物分解溫度隨著外界真空度的提高迅速下降。CuO、ZnO和MgO在地球上的分解溫度分別為1 694 K、2 268 K和3 435 K，而在月球環(huán)境下分解溫度分別為759 K、851 K和1 334 K，下降幅度非常大。可以設(shè)想，在月球上CuO和ZnO礦物只要受熱，在熱力學(xué)上就有可能分解得到Cu單質(zhì)和Zn單質(zhì)。在外太空超真空環(huán)境下，金屬氧化礦物比較容易分解，這或許可以直接作為一種冶煉某些金屬礦物的方法。

1.2 外太空可提供有利的真空冶金條件

事實上，外太空真空度極高，可以達(dá)到地球上難以達(dá)到的真空度，所有在地球上進(jìn)行的真空冶金技術(shù)，如果搬到外太空進(jìn)行，其效果也許要比地面上好很多。比如粗金屬和合金的蒸餾分離，在外太空真空環(huán)境中，金屬氧化作用基本上不復(fù)存在，而且金屬的蒸發(fā)溫度也相應(yīng)降低，這樣金屬的蒸發(fā)、蒸餾就能夠?qū)崿F(xiàn)。真空冶金可以應(yīng)用于分離Zn-Fe、Pb-Sn、In-Zn和Zn-Sn等合金，也可以提純有色金屬及其相關(guān)材料[10-11]。

外太空真空環(huán)境有利于產(chǎn)生氣體的物理化學(xué)過程。真空環(huán)境下，金屬氧化物的還原過程可以在較低的溫度下進(jìn)行。如MgO + C →Mg(g)+ CO(g)反應(yīng)，該反應(yīng)在常壓下的反應(yīng)溫度高于2 100 K，而當(dāng)環(huán)境壓力小于10 Pa后，其反應(yīng)溫度可降至約1 400 K。又如在常壓下，火法煉鋅中用碳還原氧化鋅得到鋅蒸氣，但降溫時鋅蒸氣很快會被CO2氧化成氧化鋅(藍(lán)粉)，因此很難得到液態(tài)鋅；在真空中氧化鋅的還原就不存在這一問題而且可以降低反應(yīng)溫度[12]。

上述冶金過程，在地面真空條件下已經(jīng)經(jīng)過實踐證明，在外太空超高真空環(huán)境中能達(dá)到更顯著的效果。

2 微重力環(huán)境冶金

人類的生產(chǎn)和科學(xué)實踐都是在地球重力場中進(jìn)行的，人類在享用地球重力場這一永恒資源的同時，卻不甘心永久地受它約束。外太空能幫我們實現(xiàn)這一目標(biāo)，月球表面重力僅為地球的1/6，而宇宙飛船、空間站等航天器基本上能做到完全失重，如神舟號飛船的平均微重力水平僅10-3～10-4μg。蘇聯(lián)于1969年在聯(lián)盟6號飛船上完成了空間微重力條件下的焊接和合金熔化凝固實驗，開創(chuàng)了人類空間冶金史。此后40多年，世界各國進(jìn)行了上千次的空間實驗，人類開始對空間環(huán)境有了實質(zhì)性的認(rèn)識。

在地面上進(jìn)行的冶煉行為，冶金過程利用地球上的重力加速度。在地面上，重力所導(dǎo)致的浮力對流、沉降及流體靜壓等都會對冶金過程產(chǎn)生影響。在外太空微重力條件下，重力引起的多種干擾均可消除，表面張力和擴(kuò)散成為主要控制因素。在微重力條件下的冶金行為與地面冶金過程會有很大的不同，下文詳細(xì)闡述微重力效應(yīng)對冶金的影響。

2.1 微重力消除浮力對流

微重力條件下，浮力引起的對流能夠被消除。當(dāng)液體被加熱時，由于受熱膨脹密度變低，在地面重力條件下，受熱膨脹的水會由于浮力的作用向上流動。在微重力條件下，密度差別不會產(chǎn)生重力沉降或者浮力引起的上浮，因此液體中的氣泡不會由于浮力的作用而向上運動。

例如：泡沫金屬材料，由于密度小、吸收沖擊能力強等優(yōu)點受到了廣泛重視。在地面上制作泡沫金屬，常常將目標(biāo)金屬粉末與發(fā)泡劑粉末(如TiH2)混合，再將混合物壓制成密實金屬基體，然后對其加熱升溫，當(dāng)溫度高于金屬粉末熔點，起泡劑分解產(chǎn)生的氣體在熔融狀態(tài)的金屬內(nèi)部形成無數(shù)的氣孔，冷卻這種金屬基體后，即可得到泡沫金屬產(chǎn)品[13]。在制作泡沫金屬過程中發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體，在重力的條件下會因為浮力作用較快地從熔體中逃逸，影響產(chǎn)品質(zhì)量。但在外太空微重力環(huán)境下，如果周圍環(huán)境溫度條件控制得好，氣泡會比較穩(wěn)定地停留在熔體中，可以有效地改善這一現(xiàn)象，為泡沫金屬的研制提供了新途徑。

不過，在微重力條件下，氣泡也不會一直穩(wěn)定地停留。事實上，在太空實驗中，我們?nèi)匀豢梢杂^察到氣泡在水中的運動，這是由于浮力對流消失后，液體表面張力的不同也會導(dǎo)致對流，也即馬朗戈尼對流(圖3)。

溫度和溶質(zhì)濃度的不均勻會引起表面張力的不均勻，對大部分液體而言表面張力隨溫度的增加而減小，溫度低的地方表面張力大，就會牽動流體從表面張力小(溫度較高)的地方流過來，這種現(xiàn)象稱為馬朗戈尼效應(yīng)。在地球上，馬朗戈尼對流作為次級效應(yīng)容易被重力引起的浮力對流掩蓋，但在微重力下，馬朗戈尼效應(yīng)就會成為引起液體及液體中氣泡運動的主要因素。當(dāng)液體所處環(huán)境溫度變化，形成由高到低的溫度梯度，氣泡表面附近的液體就會在表面張力的作用下，由高溫端向低溫端流動，從而驅(qū)動氣泡向高溫端遷移，表面張力就像是一把“槳”在劃水，帶著氣泡在水中游動，這就是氣泡在水中的馬朗戈尼遷移(圖4)[14]。

圖3 馬朗戈尼效應(yīng)示意圖

圖4 氣泡在水中的馬朗戈尼遷移

馬朗戈尼遷移對空間材料的制備有很大影響。在微重力環(huán)境下制備合金材料時，金屬熔化階段合金組分均以液體和液滴的形式存在，液滴的馬朗戈尼遷移現(xiàn)象顯然不利于合金材料內(nèi)部組分的均勻化，但是，這種特殊的遷移現(xiàn)象又為有效排出氣泡和液滴雜質(zhì)提供了可能。所以，研究外太空微重力條件下的冶金行為，必須要重視氣泡/液滴馬朗戈尼遷移的影響。

2.2 微重力消除沉淀和分層作用

在外太空微重力條件下，地球重力引起的沉淀和分層作用被極大地減弱。在地球表面，不同密度的物體受到的重力不同，從而產(chǎn)生沉淀作用，流體趨于按密度分層。一個典型的現(xiàn)象就是，在重力條件下，由于液體的密度比氣體的大，液體集中于容器底部，液面基本為平面。在微重力條件下，液體分布則由容器中氣-液體積分?jǐn)?shù)、液體與容器固壁接觸角 θ 決定(圖5)[15]。

圖5 微重力環(huán)境下容器中的液體(帶點區(qū)域)形狀

在重力場中導(dǎo)致的沉降不可避免地會對所制備材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如難混熔合金會出現(xiàn)液相分離現(xiàn)象。不同比重的組分，熔體在凝固過程中發(fā)生分層或偏析現(xiàn)象，難以形成組分均勻的材料。在外太空微重力環(huán)境下，則有利于將密度相差很大的材料合成高性能合金。Zn-Pb合金、Zn-Al合金和Ga-As合金等都是有著特殊用途的合金材料，由于組分密度相差太大，在地面上制備這些材料難以獲得優(yōu)質(zhì)合金。如Zn密度是Al的2.6倍，在地面上不能制造出質(zhì)量小而且剛性強的Al-Zn合金。又如Zn-Pb合金在地面常規(guī)凝固條件下只能得到宏觀分層組織，密度較大的Pb相會沉到試樣底部[16]。但在微重力條件下，密度影響微乎其微，重力對流和物質(zhì)沉降現(xiàn)象消失了，就有可能制造出高性能合金材料。1983年在哥倫比亞號航天飛機(jī)上就成功制造出了Al-Zn合金。在對Al-Pb過共晶體系的研究中發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)地球重力下凝固，Pb顆粒會沉積在試樣底部，而在微重力條件下凝固，即使樣品冷卻速率遠(yuǎn)小于地面對比實驗，實驗樣品的Pb顆粒都是均勻分布的，微重力有利于制造均勻分布的Al-Pb合金[17]。

2.3 微重力環(huán)境可實現(xiàn)無容器冶煉

在地面上熔煉金屬一般都要在熔煉爐中進(jìn)行，但在外太空微重力下，鋼球等熔體都“懸浮”著，可以不用容器來裝。外太空冶金不需要爐體，它只用電磁線圈和一套特別的裝置，就可以完成冶煉。被熔煉的材料懸浮在空中，電磁線圈通電之后，便會使被熔煉的金屬材料因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生渦流，溫度升高直至熔化。外太空可以實現(xiàn)無容器冶煉，這樣就消除了器壁污染及抑制異質(zhì)形核發(fā)生，從而得到更高純度、更低缺陷密度的高品質(zhì)產(chǎn)品。

微重力條件下制備的材料，組織完整且內(nèi)部缺陷少。如在神舟飛船微重力條件下完成的Al-Al3Ni共晶實驗，以及生長摻鈰硅酸鉍單晶實驗，在空間加熱熔化后，漸漸冷卻得到的產(chǎn)品如圖6和圖7所示[14,18]。

圖6 飛船(a)和地面(b)上的Al-Al3Ni共晶合金鑄件的縱向剖面18]

由圖6可以看出，在地球上制備的Al-Al3Ni合金表面粗糙，能看到較多空腔和缺陷，而微重力條件下凝固的樣品則較為光滑，沒有過多缺陷。圖7可以看出，在微重力環(huán)境中生長的摻鈰硅酸鉍晶體，由于熔體和鉑金容器壁沒有發(fā)生黏連，所以外觀光滑且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完整，晶體的微觀缺陷密度比同樣條件下在地面生長的晶體少得多。地面生長的晶體由于熔體和鉑金容器壁有黏連，表面有凹坑，導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力大且微觀缺陷多。

圖7 飛船(a)和地面(b)上的摻鈰硅酸鉍晶體[14]

上述結(jié)果可看出，外太空微重力環(huán)境冶金，消除了地面的浮力對流、沉淀和分層作用，并且可以實現(xiàn)無容器冶煉，為冶金提供新的研究方向，具有獨特的優(yōu)勢及巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 超重力環(huán)境冶金

外太空具有與地球不同的引力場，除了微重力還可能存在另外一種極端——超重力環(huán)境。比如木星的引力是地球引力的2.5倍左右，也不排除遙遠(yuǎn)未知的大質(zhì)量天體，其引力場遠(yuǎn)大于地球。另外，在外太空微重力條件下，可以通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，用人造重力場來實現(xiàn)冶金過程。

與微重力下表面張力起主要作用相反，在超重力環(huán)境下液體表面張力的作用變得微不足道，液體在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生出巨大的相間接觸面積，極大地提高了傳遞速率系數(shù)。超重力場強化了相際分離的特點，在冶金中有很大的應(yīng)用空間。例如，超重力可以強化渣相和金屬相的分離，極大加快冶金反應(yīng)速率。離心萃取機(jī)設(shè)備利用了超重力場，能夠在極短時間內(nèi)完成萃取以及溶液相和有機(jī)相的分離，在萃取生產(chǎn)中很有潛力。不少研究者將超重力場引入金屬材料制備、金屬液凈化及礦物相分離的研究中，取得了一定的成果。

3.1 超重力制備梯度功能材料

對于冶金工業(yè)來說，我們可以利用超重力場做許多工作，可以采用離心鑄造法制備梯度功能材料。在超重力下，密度不同的固液兩相各自分離，固相發(fā)生偏聚并沉積于鑄件的一定位置，其含量呈現(xiàn)一定的梯度分布，液相凝固后即可形成梯度功能材料[19]。通過不同方式的超重力鑄造法，已經(jīng)制備出Al/SiC、Al/Al3Ni、Al/Al2Cu等梯度功能材料[20-21]。例如：采用離心鑄造方法制備Al3Ti(圖8)與Al3Zr顆粒增強的鋁基梯度功能復(fù)合材料，隨著離心力的增加，Al3Ti與Al3Zr顆粒體積分?jǐn)?shù)沿著復(fù)合材料的軸向由內(nèi)向外梯度增加，所以外圈的耐腐蝕性比其他位置要大[22]。

圖8 Al/Al3Ti梯度功能材料示意圖

3.2 超重力提純金屬熔體

超重力可以用來凈化提純金屬。由于夾雜物與鋼液之間存在密度差，利用超重力技術(shù)可顯著提升二者之間的浮力因子，進(jìn)而促使密度較大的鋼液沿超重力方向定向移動，夾雜物向旋轉(zhuǎn)中心遷移，所得鋼錠中心部位具有最大氧含量(圖9)。20世紀(jì)90年代，日本在中間包中利用旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生離心室對鋼水中非金屬夾雜物進(jìn)行去除實驗，進(jìn)入中間包的鋼水做離心運動，鋼水中的夾雜物在離心力作用下不斷碰撞、聚集、長大、上浮。離心攪拌后鋼水全氧含量由20 ～ 40 ppm(1ppm=10-6)降到8～15 ppm，夾雜物總量減少約一半[23-24]。由此證明，利用離心力去除夾雜物是可行且有效的。

圖9 徑向全氧含量分布

又如，根據(jù)Al-Si二元系相圖可知，當(dāng)Al-Si合金中硅的含量處于硅過共晶區(qū)域時，合金液凝固過程中的晶體硅首先從母液中結(jié)晶析出。由于初晶硅與母液之間存在密度差，在超重力場中可以強化初晶硅與母液的分離?；诖?，Li等[25]研究了利用超重力分離Al-Si合金凝固過程中的初晶硅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在超重力場中可以實現(xiàn)初晶硅與鋁富集相之間的分離。Zhao等[26]將超重力技術(shù)引入到工業(yè)純鋁去除Fe和Si雜質(zhì)元素中，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣中Fe和Si雜質(zhì)元素的質(zhì)量濃度沿超重力方向呈現(xiàn)梯度分布，并且隨著超重力系數(shù)增加聚集程度變大。當(dāng)超重力場為1 000 g時，試樣頂端和底部的Fe和Si的質(zhì)量濃度之比分別為4.05和2.80，如圖10所示。

圖10 試樣不同樣位置(a)和Fe、Si元素分布(b)

3.3 超重力實現(xiàn)有價組元分離

對于幾種常見的復(fù)合礦冶金爐渣如含鈦高爐渣、轉(zhuǎn)爐提釩渣、稀土渣等，有價元素富集相分散且細(xì)小，現(xiàn)階段難以綜合利用，超重力在分離這類礦和渣方面則大有作為。李軍成等[27-31]將超重力技術(shù)引入到分離模擬含鈦高爐渣中鈣鈦礦的實驗中，利用鈣鈦礦相與脈石熔體的密度差異，在冷卻過程中進(jìn)行鈣鈦礦的定向分離。結(jié)果如圖11所示，試樣出現(xiàn)明顯的分層，鈣鈦礦相富集到試樣中下部，熔體中鈦回收率達(dá)到74.7 %。此外，作者還利用超重力技術(shù)提取含釩渣、稀土渣中富釩相以及富稀土相，有價元素回收率效果顯著提高。

以上研究結(jié)果表明，在外太空環(huán)境下運用超重力技術(shù)，不僅可以制備梯度功能材料，而且對金屬熔體中非金屬夾雜物的去除，以及初生相的富集均具有一定的效果。超重力技術(shù)可應(yīng)用到冶金渣中有價值元素的富集提取中，實現(xiàn)資源的二次利用，是一種很有潛力的強化分離技術(shù)。

圖11 常重力(a)與超重力(b)富集后試樣的縱剖圖[27]

4 天體化學(xué)環(huán)境冶金

實際上，我們生活在地球上，現(xiàn)有的冶金理論和技術(shù)，都是基于地球特定化學(xué)環(huán)境衍生的。正如別列雷曼(1981)提出的標(biāo)型元素概念，指出克拉克值高的元素氧是真正的地球化學(xué)獨裁者，成為一些元素在遷移途徑中不可逾越的障礙，決定著天然系統(tǒng)的地球化學(xué)特性，稱為標(biāo)型元素。其余元素屈從于“地球化學(xué)獨裁者——標(biāo)型元素”所造成的條件。高豐度元素氧對化學(xué)反應(yīng)具有控制性或制動性，也即化學(xué)反應(yīng)制動效應(yīng)[32]。因此在地面上，礦物學(xué)、冶金學(xué)的理論根基是氧的地球化學(xué)。但在外太空中，天體的化學(xué)環(huán)境不同，主體元素可能不是氧，整個冶煉所依賴的的元素化學(xué)環(huán)境發(fā)生了變化，這必然會導(dǎo)致冶金行為的變化。

4.1 天體環(huán)境元素構(gòu)成

漫漫宇宙，地外天體環(huán)境與地球有著很大的差別。不用說太陽系外的天體了，即使是太陽系中的各個星體，雖然有著共同的起源，但各自不同的演化特征也會導(dǎo)致不同的化學(xué)組成。隨著與太陽距離的增加，組成行星核的元素Fe、Co、Ni等逐漸減少，形成殼、幔的主要元素Si、Mg、Al、Ca增多，親氣元素逐漸增多。比如：水星、金星、地球和火星這些類地行星成分富含Mg、Si、Fe、O等組成巖石的元素，含親氣元素少；而木星和土星化學(xué)成分則以H、He為主，親鐵、親石元素少；天王星、海王星和冥王星這些遠(yuǎn)日行星，成分以C、N、O為主，少量親鐵、親石元素。即使是地球本身，不同深度元素含量也不一樣。

對比地殼、整個地球和太陽系元素豐度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)據(jù)(圖12)，它們在元素豐度的排序上有很大不同：

太陽系 H＞He＞O＞Ne＞N＞C＞Si＞Mg＞Fe＞S;地球 Fe＞O＞Mg＞Si＞S＞ Ni＞Ca＞Al＞ Na＞Cr;地殼 O＞Si＞Al＞Fe＞Ca＞Na＞K＞Mg＞Ti＞H。

與太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯貧H、He、Ne、N等氣體元素；而地殼與整個地球相比，則明顯貧Fe和Mg，同時富集Al、K和Na。這是由于宇宙形成地球的演化過程中伴隨著氣態(tài)元素的逃逸，地球原始的化學(xué)演化具體表現(xiàn)為較輕、易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則下沉，在地幔和地核富集[33]?，F(xiàn)今地殼元素豐度特征是漫長時期內(nèi)元素演化的最終結(jié)果。

圖12 太陽系、地球、地殼的元素豐度

4.2 不同天體化學(xué)環(huán)境的冶金過程

天體組成的元素豐度，直接確定了天體化學(xué)作用過程的總背景，是衡量元素集中、分散及其程度的標(biāo)尺，控制元素的天體化學(xué)行為，也直接影響著冶金過程。

(1)天體元素豐度制約元素參與化學(xué)過程的濃度，支配元素化學(xué)行為。

以地球為例，化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)近似的堿金屬元素Na、K、Rb、Cs，由于豐度不同，在地殼地球化學(xué)過程中有很不同的行為。高豐度的K和Na在天然水中濃度高，在某些特殊環(huán)境中，發(fā)生過飽和作用而形成了各種獨立礦物(鹽類礦床)；而Rb和Cs在地殼中豐度低，在天然水中濃度極低，遠(yuǎn)達(dá)不到飽和濃度，為此不能形成各種獨立礦物而呈分散狀態(tài)。

(2)天體元素豐度限定了元素在自然界的礦物種類及自然體系狀態(tài)。

實驗室條件下，化合物組成的劑量可以任意調(diào)配，因此實驗室人造化合物數(shù)量可達(dá)到數(shù)十萬種；而在自然界大環(huán)境下各種元素的豐度及配比已經(jīng)固定，因此自然界只存在幾千種礦物。自然界尚未發(fā)現(xiàn)低豐度元素的陽離子和低豐度元素陰離子所組成的化合物，比如硒酸鋰(Li2SeO4)和硒酸銣(Rb2SeO4)很難形成獨立礦物，而地殼中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K豐度高，因此很容易形成長石、石英、云母等獨立造巖礦物。元素豐度同時也決定著自然體系狀態(tài)，自然界的酸堿度和氧化還原電位變化范圍比實驗室要窄很多，這都會影響著冶金方法的運用。

(3)天體化學(xué)組成決定了元素的親和性。

天體元素的親和性與冶金行為密切相關(guān)。地殼主體元素是氧，空氣中氧含量為21%，有大量過剩的O2，因此在地球這個富氧環(huán)境中，極度親氧的元素如Ti、Zr、Hf、Si等，其結(jié)合的氧被奪取就很困難。雖然高度真空可以把氧勢降到非常低，但是在地球上難以獲得，因此這些元素在地球上就很難冶煉。以Ti為例，冶煉這類親氧元素所采取的措施：一方面是利用C來奪取氧化物中的O，在高溫下C與O結(jié)合成CO的能力很強；另一方面通入Cl2與被還原出來的活潑Ti金屬單質(zhì)結(jié)合形成TiCl4。相反地，親硫的元素Cu、Pb、Zn等在地球上則相對容易冶煉，如硫化銅礦只需要鼓吹O2即可熔煉吹煉出銅。

我們可以設(shè)想，一個星球氧極度缺少，而天體的主要構(gòu)成是同族的硫元素，這也不是完全沒可能的，比如隕硫鈣石(CaS)就是在這種缺O(jiān)富S的環(huán)境中生成的。過渡金屬特別是重金屬本性是親硫的，因此該星球上若存在大量的S，就會被重金屬等固定下來，變成極不活潑的巖石主體。可以推斷，與地球環(huán)境中構(gòu)成巖石的主要是SiO2、CaO、Al2O3等氧化物相反，此星球的巖石基礎(chǔ)應(yīng)該是CuS、PbS、ZnS等系列硫化物了。在地球上很穩(wěn)定的如Ti、Si等天性親氧不親硫的元素，在此星球缺氧的大環(huán)境下，注定無法全部與O結(jié)合，更大的概率是與S結(jié)合。然而Ti與S天性就結(jié)合不牢固，可以設(shè)想Ti若在此星球上以硫化物形式存在，則無論是簡單還是復(fù)雜硫化物，都會變得不太穩(wěn)定了，應(yīng)該很容易被分解或被還原，因此冶煉難度將極大降低，反之與S結(jié)合很牢固的Cu、Pb、Zn、Sb等卻會變得很難冶煉了。因此若在此星球上搞冶金，需要基于其“地球化學(xué)環(huán)境”設(shè)計一套全新的冶煉過程，比如需要找更好的還原劑，有普遍意義的一個解決方法可能就是電化學(xué)。比如地球上非常難還原的鋁，通過電場庫侖力斷開鋁-氧化學(xué)鍵，強制還原得到金屬鋁，那么在此星球上最難煉的Cu、Pb、Zn、Sb等硫化物也有可能通過電化學(xué)方法還原出金屬單質(zhì)。事實上，類似的研究也在地球特殊的環(huán)境下進(jìn)行，如Yin等[34]通過在Sb2S3熔體中加入NaCl-KCl-Na2S熔鹽電解還原直接得到了Sb金屬單質(zhì)，為電子導(dǎo)電的過渡金屬硫化物的冶煉開辟了新方向。因此，在外星球多硫的環(huán)境中，電化學(xué)還原冶煉很可能是一個有效的手段。

由上述可知，外太空化學(xué)組成的不同會極大地影響冶金過程，面對外太空，我們需要具體分析其主要環(huán)境特征和元素組成，重新設(shè)計冶煉方案。

5 結(jié)語

人類總有一天要走出地球，實現(xiàn)太空移民，外空礦物資源開發(fā)正在成為一項為全人類福祉和裨益而開展的航天行為，為解決能源危機(jī)，實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展提供了可能。外太空富有地球缺乏的重要資源如錸、鉑、鈀、氦-3等，如何有效利用外太空資源，也即如何太空冶煉，我們需要對外太空的物理化學(xué)環(huán)境有深刻認(rèn)識，因地制宜來開發(fā)新的工藝，甚至將原來的理論修正，建立新的外太空冶金體系。如此則冶金非但不是夕陽產(chǎn)業(yè)，反將蓬勃發(fā)展、方興未艾。

外太空具有與地球截然不同的物理化學(xué)環(huán)境，這也決定了其具有完全區(qū)別于地面的冶金理論。本文從外太空的典型環(huán)境特征出發(fā)，詳細(xì)闡述了超高真空、微重力、超重力以及天體化學(xué)環(huán)境組成對冶金行為的影響，結(jié)果表明，外太空環(huán)境的不同會導(dǎo)致其不同于地面的冶金規(guī)律，實際情況需要我們具體考慮，對癥下藥，重新設(shè)計冶煉方案。

(2018年5月7日收稿)■