月壤原位利用工程技術(shù)發(fā)展淺析

王志浩，劉宇明，田東波，馬子良，于 強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

原位資源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）是指利用原位資源（包括天然的和遺棄資源）的硬件裝置或?qū)嵤┑牟僮鬟^程，其目的是為無人或載人探測制造產(chǎn)品和提供服務(wù)[1]。在ISRU 體系當(dāng)中，對顆粒物質(zhì)的利用占據(jù)重要地位。本文針對月壤ISRU，就國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、任務(wù)、技術(shù)路線及近期發(fā)展方案等方面展開論述。

月壤中幾乎包含了所有深空探測、生命保障所需的元素，其中氧、硅、鐵、鈣、鋁和鎂元素含量較高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為42%、21%、13%、8%、7%、6%[2]。歷次月球采樣的部分礦物質(zhì)成分基本相同，隨采樣地域略有差別[3]，其穩(wěn)定的礦物組成是實施月壤原位利用的化學(xué)基礎(chǔ)。發(fā)展月壤ISRU 工程技術(shù)是空間化學(xué)工業(yè)和冶金工業(yè)的基石，也是支撐未來自給式空間探測及資源利用的物質(zhì)保證；月壤顆粒物質(zhì)易于獲取，粉末狀的形態(tài)易于加工和處理，具有廣闊的材料制備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的應(yīng)用前景；月壤原位利用技術(shù)是長期運(yùn)行月球基地建設(shè)的重要基石，是未來國家間星際資源劃分的重要依據(jù)，也是未來人類實現(xiàn)星際移民的起點(diǎn)。

隨著我國探月工程“繞、落、回”分階段逐步實施，后續(xù)探月工程任務(wù)的規(guī)劃和設(shè)想也逐漸提上日程[4-10]，均涉及月壤的原位利用問題。文獻(xiàn)[11]歸納和介紹了月球基地的建筑材料和制氧方法，文獻(xiàn)[12]給出了制氧方法的建議，但是國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對于月壤ISRU 工程技術(shù)的分析論述不夠充分。

本文擬重點(diǎn)分析NASA 在ISRU 領(lǐng)域的工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合月壤ISRU 任務(wù)設(shè)想，提出階段化月壤ISRU 工程技術(shù)發(fā)展構(gòu)想。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

截至目前，NASA 在月球ISRU 技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成果，已實施多次外場模擬試驗[13-14]。其中重點(diǎn)實施了極冰/揮發(fā)物資源特性探測、月壤制氧、基礎(chǔ)建設(shè)相關(guān)、配套工程以及原位制造等項目。

極冰及揮發(fā)物資源特性探測方面，于2005年開展了土壤環(huán)境科學(xué)、氧及月球揮發(fā)物提?。≧ESOLVE）項目，鉆取月壤樣品，檢測是否含水，測量和評估可能的氣體揮發(fā)物并制取氧氣[15-16]。目前RESOLVE 已完成了多次鉆探、揮發(fā)物探測以及制氧操作[17-20]。

月壤制氧方面，NASA 重點(diǎn)開展了氫還原法、碳熱還原法、熔鹽電解法及真空熱解法方面的研究。分別研制了PILOT及ROxygen 兩套氫還原樣機(jī)，用于攪拌、加熱和還原月壤[21-22]，其外場模擬試驗（如圖1和圖2所示）顯示氧提取效率約為1%～2%[23]。NASA 委托Orbitec公司研制了一套碳熱還原系統(tǒng)（如圖3所示），使用光纖將匯聚光引入反應(yīng)器中[24]，氧提取效率約為9.6%[25]。NASA 還資助了熔鹽電解法制氧（裝置照片如圖4所示），對所用熔劑、電極、氣體采集與分析、補(bǔ)給與出渣等方面開展了研究[26-27]。真空熱解制氧方面，NASA 委托喬治·華盛頓大學(xué)對壓力、溫度、質(zhì)量損失及殘余氣體進(jìn)行了全面的分析，但對于生成的氣體未作分餾處理[3]。

圖1 PILOT 外場試驗Fig.1 Field test for PILOT

圖2 ROxygen 外場試驗Fig.2 Field test for ROxygen

圖3 碳熱還原系統(tǒng)Fig.3 Carbothermal reduction system

圖4 熔鹽電解裝置照片F(xiàn)ig.4 The molten salt electrolysis device

基礎(chǔ)建設(shè)方面，NASA 研制了兩臺小型采礦車，分別為Cratos和筒鼓開采車（分別如圖5和圖6所示）[28]；研發(fā)了“推土機(jī)”葉片，命名為LANCE（見圖7），用于處理大量月壤[29]；研究了靜電選礦方法，在真空下可使礦物顆粒有效分離[30-31]。

圖5 Cratos 采礦車Fig.5 Cratosmining vehicle

圖6 筒鼓采礦車Fig.6 Bucketdrum mining vehicle

圖7 LANCE 清障車Fig.7 LANCE wrecker

建筑材料方面，NASA 利用黏合劑與模擬月壤混合并模壓成形（見圖8），其中無機(jī)黏合劑的重量比約占30%[32]。歐空局資助的研究團(tuán)隊，采用3D打印機(jī)實現(xiàn)穹頂建造，其工藝是將氧化鎂和顆粒物質(zhì)混合，再用黏性鹽將建材粘合成型，圖9為打印而成的蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)件[33]。

圖8 利用JSC 工藝制備的磚塊Fig.8 Brick compressed using JSC technique

圖9 使用仿真月壤3D打印出的月球基地組件結(jié)構(gòu)Fig.9 Lunar base structure subassembly made by 3D printing using lunar soil simulant

固化成型方面，NASA 研究了反射聚焦[34]以及光纖傳輸聚焦方法（圖10～圖11）[35]。此外NASA還資助了微波燒蝕成型方法的研究，試驗結(jié)果表明，溫度升高，月壤試樣熱吸收能力也隨之升高[36]。

圖10 反射聚焦裝置Fig.10 The reflection focusing device

圖11 光纖傳輸匯聚系統(tǒng)Fig.11 The optical fiber transmission focusing system

配套工程方面，NASA 資助了凱斯西儲大學(xué)研究基于土壤力學(xué)理論分析不同參數(shù)對挖掘力的影響[37]。NASA 格林中心研制了新的月壤力學(xué)真空試驗系統(tǒng)，用于測試月壤的力學(xué)性能[38-39]。NASA 肯尼迪中心設(shè)計了一套氣動月壤轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，主要功能是將月壤傳送至制氧反應(yīng)器內(nèi)[40]。

原位制造方面，NASA 對候選技術(shù)進(jìn)行了試驗測試，結(jié)果顯示電子束熔融（EBM）技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)優(yōu)勢明顯[41-42]。NASA 采用EBM設(shè)備對月球土壤模擬樣本進(jìn)行了熔融試驗，表明電子束熔融技術(shù)可用于月表的原位制造[43]。通過熔融電解的方法可以從月球土壤中提取出氧、金屬和硅，然后進(jìn)行加工制造，有望實現(xiàn)精密部件及太陽電池的原位生產(chǎn)[44]。

綜上所述，月壤ISRU 領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢：

1）月壤原位利用的發(fā)展將分階段逐步實施；

2）利用月壤制氧和原位成型固化將是近期研究的重點(diǎn)；

3）月壤ISRU 技術(shù)優(yōu)劣的評判將以高效能高可靠性為準(zhǔn)繩。

2 技術(shù)路線分析

2.1 工程技術(shù)路線

根據(jù)可能開展的工程任務(wù)，月壤ISRU 工程技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線如圖12所示。

圖12 月壤原位利用工程技術(shù)路線圖Fig.12 Engineering planning graph of in-situ utilization of lunar soil

完善的技術(shù)路線基于月壤特性，包括利用月壤進(jìn)行氧氣制備、推進(jìn)劑制備、月壤冶金、半導(dǎo)體制備、原位制造及基礎(chǔ)建設(shè)等方面內(nèi)容。

2.2 近期發(fā)展構(gòu)想

近期建議重點(diǎn)開展月壤制氧及基礎(chǔ)建設(shè)的預(yù)先研究工作，其中基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)的重點(diǎn)是材料選擇 及成型技術(shù)。以下從技術(shù)路線選擇、方案、效率及耗能等方面給出初步的研究結(jié)果。

2.2.1月壤原位制氧技術(shù)

重點(diǎn)分析比較氫還原法、碳熱還原法、熔鹽電解法以及真空熱解法，相關(guān)主要信息和指標(biāo)如表1所示。

表1 月壤制氧技術(shù)相關(guān)信息Table 1 Related data of oxygen production using lunar soil

如表1可知，制氧方法適用的礦物成分越多，制備溫度越高，氧氣的制備效率越高。其中氫還原法反應(yīng)溫度最低，月壤以顆粒物的形態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)，制備效率最低；其他幾種方法制備溫度較高，月壤以熔巖的形態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)，對物質(zhì)的操控難度較高，但效率是氫還原法的10倍以上。

制氧裝置是月壤原位制氧系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，由顆粒物轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、密封反應(yīng)釜、氣體分離裝置、加熱裝置等構(gòu)成，如圖13所示。將月壤采礦運(yùn)輸車采集到的月壤通過顆粒物轉(zhuǎn)運(yùn)裝置加入密封反應(yīng)釜中，使用加熱裝置將月壤加熱至反應(yīng)溫度時，通過氣體管路通入氫氣，生成的混合氣體在氣體分離裝置中進(jìn)行分離，水電解生成氫氣和氧氣，氧氣由氣體管路進(jìn)入液化存儲裝置，氫氣則經(jīng)氣體分離裝置返回密封反應(yīng)釜繼續(xù)還原反應(yīng)。

圖13 制氧裝置組成Fig.13 Block diagram of the oxygen production device

2.2.2月壤原位成型技術(shù)

選擇月壤作為基礎(chǔ)建設(shè)的主要材料無可爭議，但對于是否添加輔料，不同的技術(shù)路線差異較大。將無添加及有添加條件下月壤原位成型技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)列于表2。

表2 無添加及有添加月壤原位成型技術(shù)對比Table 2 Comparison between forming techniques using lunar soil with and without additional reagents

由表2可知：1）無添加輔料的技術(shù)路線雖然耗能較高，但由于運(yùn)輸成本較低，適合較大規(guī)模的月表基礎(chǔ)建設(shè)；2）有添加輔料的技術(shù)路線雖然運(yùn)輸成本較高，但耗能較少，適合小規(guī)模的技術(shù)驗證；另外其材料穩(wěn)定性存在一定的問題，需要進(jìn)一步分析研究。

不同類型的月壤原位成型技術(shù)/工藝見表3，可知，燒結(jié)成型適合大面積表面成型，而黏結(jié)成型和模壓成型則適用于小型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)；從能源消耗的角度出發(fā)，燒結(jié)成型對能源的需求最高。

表3 月壤原位成型技術(shù)/工藝Table3 Lunar soil in situ forming techniques

3 發(fā)展建議

根據(jù)對月壤ISRU 技術(shù)發(fā)展的趨勢分析及工程技術(shù)發(fā)展構(gòu)想，建議開展如下工作：

1）制訂月球資源利用發(fā)展規(guī)劃

對月球資源的原位開發(fā)和利用可能是人類有史以來最為宏大的航天工程，工程投資巨大，任務(wù)周期跨度較大，實施過程復(fù)雜，存在較大風(fēng)險，因此需要按照不同的發(fā)展階段，進(jìn)行系統(tǒng)性的規(guī)劃論證，分批次分階段實施，在協(xié)調(diào)月壤原位利用技術(shù)與月球資源開發(fā)利用之關(guān)系的同時規(guī)避風(fēng)險。

2）深入分析和研究月壤特性

準(zhǔn)確獲得月壤特性是進(jìn)行月壤利用的前提；對關(guān)鍵的月壤特性指標(biāo)，應(yīng)具備在線或者離線的分析測試能力。重點(diǎn)關(guān)注月壤的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)特性，建立月壤與復(fù)雜結(jié)構(gòu)體相互作用的分析模型，確定月表不同邊界條件下月壤的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)響應(yīng)特性。

3）方案設(shè)計應(yīng)在高效率與高可靠性之間尋求平衡

技術(shù)方案的選擇不應(yīng)以追求高效率為唯一的判別標(biāo)準(zhǔn)。由于月表條件惡劣，全程操控和處理顆粒形態(tài)的月壤要求設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的防塵能力，且要求設(shè)備運(yùn)行中盡可能降低人工干預(yù)，即月壤原位利用裝備須具備極強(qiáng)的可靠性，因此應(yīng)當(dāng)在高效率與高可靠性之間進(jìn)行平衡。

4）將氫還原法作為利用月壤制氧的重要選擇之一

雖然利用月球極區(qū)水冰制氧也是重要選擇，但考慮到月球極區(qū)溫度極低，水冰存在于終年無光照的隕石坑底部，開采難度極高，因此在鈦鐵礦含量較高的低緯度地區(qū)，采用氫還原法也是未來技術(shù)發(fā)展的重要選擇之一。

5）采用無添加月壤作為月表基建材料

基于對未來月表基礎(chǔ)建設(shè)的設(shè)想，無論建筑屏蔽外殼，還是著陸場護(hù)堤，亦或道路的建造，所需的土石建筑量都是巨大的；即使需添加的輔料比例很低，數(shù)以噸計的輔料運(yùn)輸量在成本上也難以接受。另一方面，一次成型顯然要比組件安裝更適合自動化操作。據(jù)此建議采用無添加輔料的月壤，輔以相應(yīng)的成型技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。