月壤原位資源利用技術(shù)研究進(jìn)展

徐桂弘，李陽，李瑞，張曼，唐則濤，唐政

1.貴州理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550001；

2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴州 貴陽 550001

原位資源利用技術(shù)是利用地外天體原位資源轉(zhuǎn)化為空間任務(wù)所需各種產(chǎn)品的一系列技術(shù)手段。月球作為深空探測的前哨站和中轉(zhuǎn)站，原位資源利用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)勘查和提取月球等天體上的可利用資源，顯著減少從地球發(fā)射到月球的載荷，節(jié)省發(fā)射成本[1]。

月球蘊(yùn)藏著大量的金屬與非金屬礦產(chǎn)資源。據(jù)估算月球上鈦鐵礦的總資源量約為1.2 萬億t[1]，鈦鐵礦中太陽風(fēng)注入的3He 總資源量約為100～150 萬t[2]，兩極地區(qū)水冰的總資源量約數(shù)千萬～數(shù)億噸。月球表面除了山脈、撞擊坑外，還覆蓋著一層月球土壤，月壤主要成分包括橄欖石、斜長石、輝石、尖晶石、鈦鐵礦等碎屑，角礫巖碎屑、各種玻璃物質(zhì)隕石碎片等[3]，如何從月表土壤中實(shí)現(xiàn)礦物分離提取氧氣、金屬等必備的物質(zhì)材料是人類和機(jī)器人在月球上行動可持續(xù)性的關(guān)鍵。

1 月壤物理特性

月壤顆粒的宏觀物理力學(xué)特性及微觀形貌特征是研究月壤原位資源利用的基礎(chǔ)。月壤長期經(jīng)受微隕石轟擊、太陽風(fēng)注入、宇宙射線輻射等作用，其微觀形貌和幾何形態(tài)復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，嫦娥五號月壤95%的顆粒粒徑集中在1.40～9.35 μm，玻璃質(zhì)含量約16.6%[4]，嫦娥五號粗粒和細(xì)粒月壤的Is/FeO 值分別為15.9±10.8 和64.4±5.6，平均Is/FeO 值約為30 左右[5]，接近不成熟型月壤。與阿波羅月海玄武巖地區(qū)樣品相比，嫦娥五號月壤在相似的顆粒密度（約3.1 g/cm3）情況下，具有更低的質(zhì)量密度（1.24 g/cm3；阿波羅與月球號：1.45～1.9 g/cm3）和更高的孔隙度（約61%；阿波羅與月球號：44%～52%）[6]，嫦娥五號（0.56 m2/g）與阿波羅（0.52 m2/g）月壤的比表面積差別不大。

由于月壤顆粒粒徑極為細(xì)微，顯微形貌、結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成的原位微區(qū)分析通常需要在納米級尺度分辨率開展，對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取造成了極大的困難。目前，可查閱的數(shù)據(jù)表明，月壤風(fēng)化層所含的主要礦物有輝石、橄欖石、斜長石、鈦鐵礦和尖晶石等。2022年，中科院地球化學(xué)研究所Guo Z 等[7-8]等在嫦娥五號月壤前期研究工作中，首次證實(shí)亞微米級磁鐵礦以及多種成因的納米級單質(zhì)金屬鐵的存在，革新了學(xué)術(shù)界關(guān)于月壤形成與演化特征的一些基本認(rèn)識。

月壤的物理力學(xué)性質(zhì)研究主要涉及月壤壓縮性和抗剪性，月壤物理特性主要是由內(nèi)聚力c和摩擦角φ兩個指標(biāo)決定。由于月壤顆粒表面多棱角、鉤角、鋸齒等不規(guī)則結(jié)構(gòu)，干燥狀態(tài)的月壤內(nèi)摩擦角變化范圍 較 大（0°～53°），內(nèi) 摩 擦 角約為33.3°，內(nèi) 聚力c=1.0 kPa[9]。由于月壤樣品稀少，月壤的宏觀力學(xué)性能及剪切性能大多以模擬月壤開展研究，且在研究方法上出現(xiàn)多種方式。吉林大學(xué)Meng Zou 等[10]通過月球車車輪識別月壤力學(xué)參數(shù)，對模擬月壤內(nèi)摩擦角（φ）、和剪切變形模量（K）值進(jìn)行識別，研究結(jié)果表明GABP（遺傳算法優(yōu)化的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）算法能準(zhǔn)確、有效地在線識別風(fēng)化層剪切參數(shù)。印度國家理工學(xué)院T.Prabu 等[11]通過循環(huán)三軸試驗(yàn)，對新型月球高地模擬模型LSS-ISAC-1 在模擬月震條件下的動力特性進(jìn)行了解釋。在相對密度（30%、63%和80%）、圍壓（5～75 kPa）和頻率不同的情況下，通過循環(huán)三軸試驗(yàn)確定剪切模量和阻尼比，以代表月球表面的松散、中等和密集狀態(tài)。印度國家理工學(xué)院Thannasi Prabu 等[12]闡述了新研制的月球高原土壤模擬樣品（LSS-ISAC-1）的抗剪強(qiáng)度參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和體積變化特性，對內(nèi)摩擦角臨界狀態(tài)、剪脹角、楊氏模量、泊松比、內(nèi)部可蝕性、小應(yīng)變剪切波速、剪切模量等工程性質(zhì)進(jìn)行了評價。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模擬月壤可以很好地代表實(shí)際的月球高原土壤。

此外，吉林大學(xué)Xumin Sun 等[13]提出了一種完全由天然斜長石復(fù)合材料制成的新型月球高原模擬月壤，并確定了化學(xué)成分、顆粒形態(tài)、粒徑分布、比重、容重、最大和最小密度、抗剪強(qiáng)度等巖土特性，與Apollo 16 月壤樣品參數(shù)和其他現(xiàn)存高原模擬月壤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，雖然無法替代阿波羅16 號月壤樣品，但是在礦物成分方面是相似的，且價格低廉，可以批量生產(chǎn)。佛羅里達(dá)大學(xué) Maxim Isachenkov 等[14]研制出一種新型月壤，通過XRF、XRD、SEM、EDX、DTA、TGA、UV/Vis/NIR 光譜和激光衍射等方法進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)與之前開發(fā)的模擬阿波羅月壤相似，可以很好地模擬月球風(fēng)化層性質(zhì)。

綜上所述，目前針對月壤物理力學(xué)等特性研究，科學(xué)上重點(diǎn)關(guān)注其獨(dú)特物質(zhì)成分、探究其形成演化機(jī)理，由于樣品稀少，主要依托于模擬樣品開展相關(guān)研究，難以系統(tǒng)、精確地揭示其宏觀物理特性與礦物組成、顆粒特征等的影響規(guī)律。

2 月壤原位成型制造技術(shù)研究進(jìn)展

月壤風(fēng)化層原位成型資源利用技術(shù)主要是指材料固化成型和“礦物提取及冶金”兩類。月壤固化成型包括將月壤材料熔融固化成型、在月壤中加入外加劑將月壤固化成型或直接壓制月壤成型。礦物提取及冶金主要通過使用化學(xué)介質(zhì)、特殊的還原物質(zhì)或加熱手段，分離提取月壤中的氧氣、金屬、低價金屬氧化物等。

目前國內(nèi)外關(guān)于月壤的原位成型制造技術(shù)主要有4 種：黏結(jié)成型、堿激發(fā)成型、燒結(jié)成型和3D 打印技術(shù)[15]。

2.1 月壤黏結(jié)成型技術(shù)

硫磺混凝土（（Sulfur concrete）是用硫磺作為膠凝材料，把原料加熱到一定溫度（140 ℃左右），使硫磺熔化，再經(jīng)過攪拌、裝模和冷卻工序即可形成具有一定的強(qiáng)度的固體結(jié)構(gòu)。硫磺混凝土具有較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度，具有較大的彈性模量，還具有一定的耐腐蝕性且可以熔融回收重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。2005 年，Toutanji 研究團(tuán)隊(duì)[16-18]將加熱熔融的硫磺和JSC-1 模擬月壤以一定比例進(jìn)行混合，得到力學(xué)性能良好的無水混凝土塊；后續(xù)與NASA 合作，評估了硫磺混凝土的抵抗沖擊和月球輻射的能力，以及在真空條件下承受極端溫度和熱循環(huán)的能力。Richard N 等[19]使用JSC-1 模擬月壤激發(fā)劑、硫磺、SiO2粉末等，制備了硫磺混凝土。2022 年，伊朗阿米爾卡比爾大學(xué)Mohammad Hossein Shahsavari[20]研究在真空、微重力和不同溫度條件下硫磺混凝土的工作性能及流動性能，發(fā)現(xiàn)硫含量增加會降低含硫混凝土的滲透性。

2.2 堿激發(fā)成型技術(shù)

地質(zhì)聚合物混凝土是將硅鋁酸鹽骨料與堿性活化劑溶液混合，通過兩者之間產(chǎn)生的脫水縮聚反應(yīng)形成膠凝劑將骨料黏結(jié)起來而制得的混凝土材料。該概念在1991 年由Davidovits[21]提出，美國Carlos Montes等在2015 年首次嘗試以模擬月壤為原料制備地質(zhì)聚合物混凝土，將調(diào)制的堿性活化劑溶液與JSC-lA 模擬月壤分別以0.32∶1 和0.2∶1 的比例進(jìn)行混合，然后分別用常規(guī)澆鑄法，在60 ℃恒溫環(huán)境中固化72 h制得。在此之后，Alexiadis 等與NASA 合作以模擬月壤和模擬火星壤為原料，通過向原料中摻入K2SiO3改變原料硅鋁比，研究硅鋁比對制得樣品的力學(xué)強(qiáng)度的影響以及堿溶液濃度對樣品性能的影響[22]。2019 年Cai 等[23]研究了Ca(OH)2和P.I 52.5 水泥作為月壤混凝土鈣質(zhì)原料的效果，發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2是更好的鈣質(zhì)原料來源。2020 年美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Juliana Moraes Neves[24]研究發(fā)現(xiàn)摻加75% JSC-1A（模擬月壤）和25%硅酸鹽水泥的砂漿在水化28 d 時的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa，北京航空航天大學(xué)Siqi Zhou 等[25-26]研究將鋁（Al）材料、模擬月壤混合制備地質(zhì)聚合物，發(fā)現(xiàn)該聚合物的力學(xué)性能良好，72 h 的抗壓強(qiáng)度可達(dá)38.2 MPa。捷克Anna-Marie Lauermannová[27]將模擬月壤、氯氧鎂水泥（MOC）、石墨烯等按比例混合制備混凝土，當(dāng)模擬月壤含量為50%時，試樣的抗壓強(qiáng)度高達(dá)67 MPa。英國伯明翰大學(xué)Jahinder Momi[28]研究了模擬月壤與水、氫氧化鈉（堿性劑）和尿素（高效減水劑）的混合流變性能。周兆曦[29]對不同養(yǎng)護(hù)溫度和NaOH 摻量的模擬月壤進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、X 射線衍射試驗(yàn)和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫蒸養(yǎng)可提高材料的抗壓強(qiáng)度。華中科技大學(xué)Lixiong Cai 等[30]以玄武質(zhì)月球風(fēng)化層模擬月壤為主要原料，將Ca(OH)2和P.I 52.5 混合制備混凝土，發(fā)現(xiàn)Ca（OH）2能有效地提高混凝土的強(qiáng)度，并能有效地促進(jìn)目標(biāo)水化產(chǎn)物的生成。Zhuojun Hu 等[31]對鋁酸鹽混凝土、硫磺混凝土、鎂硅混凝土、聚合物混凝土和地質(zhì)聚合物混凝土等加入月壤顆粒后的力學(xué)性能進(jìn)行了評價分析。

由于月壤的礦物成分類似于火山灰，富含硅鋁酸鹽，可通過硅鋁質(zhì)原料與堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成起膠結(jié)作用的無定型凝膠，硬化后生成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物。常用的堿激發(fā)劑有氫氧化鈉、氫氧化鉀、硅酸鈉、硅酸鉀等。月球風(fēng)化層作為一種原位資源，已被證明可用作制備月球路面用地質(zhì)聚合物的原料。ESA 利用火山灰材料制備了模擬月壤DNA-1，并利用堿激發(fā)成功固結(jié)了模擬月壤[32-33]，國內(nèi)也報(bào)道了利用NaOH、水玻璃等激發(fā)并固結(jié)模擬月壤的研究。美國特拉華大學(xué)Jennifer N.Mills 等[34-35]在真空極端高溫（60 ℃）和低溫（-80 ℃）下，采用堿激發(fā)劑制備月壤地質(zhì)聚合物，發(fā)現(xiàn)60 ℃時地質(zhì)聚合物固體結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度較大。Rongrong Zhang[36]研究發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉（NaOH）可形成較高強(qiáng)度地質(zhì)聚合物和致密的結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度在84.5～33.5 ℃之間變化時，該地質(zhì)聚合物72 h 抗彎抗壓強(qiáng)度在5.7～31.2 MPa 之間變化。

2.3 燒結(jié)成型技術(shù)

燒結(jié)技術(shù)是以月壤、無機(jī)材料為原料，經(jīng)過成型、高溫?zé)乒に嚕赏谠虑虮砻鎸⒃氯郎a(chǎn)為特定屬性和特定應(yīng)用的結(jié)構(gòu)部件，其強(qiáng)度主要來源于月壤再結(jié)晶形成的共價鍵，因此燒結(jié)成型構(gòu)件會產(chǎn)生坯體致密化和再結(jié)晶，致密度增大、強(qiáng)度提高，但體積會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。早期的月壤燒結(jié)成型主要采用溫控爐內(nèi)加熱的方式，得到的固體構(gòu)件強(qiáng)度相對較低。NASA前期研究結(jié)果表明，真實(shí)月壤顆粒的燒結(jié)溫度約為100～1 000 ℃，恒溫時間應(yīng)達(dá)到2～2.5 h 時，模擬月壤顆?？赡z結(jié)為整體。D A Altemir 等[37]將模擬月壤在253 MPa 的壓力下，采用普通電爐升溫技術(shù)，當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃、持續(xù)時間為30 min 時，燒結(jié)固體構(gòu)件的強(qiáng)度在14 MPa 左右。Rui Dou 等[38]研究模擬月壤（CLRS-2）在1 100 ℃和1 150 ℃下燒結(jié)的樣品的收縮率和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在空氣中1 150 ℃燒結(jié)的樣品具有最高的燒結(jié)收縮率，力學(xué)性能最好，這可能是由于在燒結(jié)后形成了玻璃相和致密結(jié)構(gòu)。Andrea Zocc 等[39]采用差熱分析法對JSC-2A 模擬物在常溫和惰性條件下的燒結(jié)和熔化行為進(jìn)行了研究，并采用 X 射線衍射分析法測定了晶體峰上的礦物成分。

近幾年隨著試驗(yàn)條件的提高，月壤燒結(jié)成型技術(shù)研究出現(xiàn)了多種形式。Xiang Zhang 等[40]研究了火花離子燒結(jié)技術(shù)（spark plasma sintering）對微觀組織演變、相變和力學(xué)性能的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)等離子燒結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度可以達(dá)到普通混凝土的10 倍以上。中國科學(xué)院Lei Song 等[41]研究了真空環(huán)境條件對低鈦玄武巖模擬月壤（CLRS-1）燒結(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)在1 100 ℃溫度下真空燒結(jié)可獲得密度為1.19 g/cm3的多孔材料，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件可望用于月球基地保溫隔熱結(jié)構(gòu)部件。HAN W B 等[42]通過HUST-1 模擬月壤，對比了大氣和真空環(huán)境下不同燒結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的收縮變形特性，發(fā)現(xiàn)溫度是影響燒結(jié)構(gòu)件微觀形貌的重要參數(shù)，隨著溫度的升高，燒結(jié)構(gòu)件的逐漸密實(shí)，收縮變形逐漸增大，抗壓強(qiáng)度可達(dá)70 MPa。

微波燒結(jié)技術(shù)由于高效、加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的月壤原位加工方法。Young-Jae Kim等[43]通過對KLS-1 型模擬月壤進(jìn)行微波燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的升高固體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著提高，在1 120 ℃時，燒結(jié)固體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為37.0±4.8 MPa，在-100～200 °C的循環(huán)溫度應(yīng)力下，熱膨脹系數(shù)保持良好。Hailong Liao 等[44]利用激光熔煉技術(shù)成功制備了月壤Al、Si、Mg 復(fù)合材料，相對密度為92.5%的樣品抗壓強(qiáng)度為264 MPa。Shayan Gholami 等[45]研究微波燒結(jié)時間、溫度等參數(shù)對模擬月壤致密化、微結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能的影響，顯示微波燒結(jié)試樣的孔隙率在8.5% ～ 11.5%之間，燒結(jié)溫度是影響微觀結(jié)構(gòu)的主要因素。

燒結(jié)成型制造技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有了新的拓展，Robert E.Ferguson 等[46]研究將月壤、火星風(fēng)化層制備瓷磚。Liu 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，CLRS-2 模擬月壤粉末與光固化樹脂混合制備的漿料燒結(jié)處理后，平均抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度為428.1 MPa 和129.5 MPa。Julian Baasch等[48]的研究表明，利用月壤材料可以鑄造多種鋁制構(gòu)件。

綜上所述，燒結(jié)成型法易于大批量制造，生產(chǎn)效率高，所產(chǎn)出的成品需要一定熱源設(shè)備技術(shù)，未來需要在設(shè)備和工藝適應(yīng)性方面開展進(jìn)一步研究，且燒結(jié)成型技術(shù)對月球特殊環(huán)境的適用性仍有待繼續(xù)研究驗(yàn)證。

2.4 3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，是在三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，利用逐層制造方式實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件三維加工制造的一種新型加工制造技術(shù)。目前，所報(bào)道的以模擬月壤為原料的3D 增材制造技術(shù)，主要包括擠出打印技術(shù)、D-shape 3D 打印成型、激光3D 打印成型和“模擬月壤油墨”3D 打印技術(shù)、光固化3D 打印、太陽光聚焦3D 打印成型等，模擬月壤3D 打印技術(shù)主要試驗(yàn)步驟及相關(guān)特征如表1 所示。

在擠壓成型研究方面，Shannon L.Taylor 等[49]通過3D 擠壓成型，用JSC-1A 月壤模擬材料制作網(wǎng)格桁架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)玻璃相可改變桁架結(jié)構(gòu)的相對密度、峰值抗壓強(qiáng)度等。挪威Shima Pilehvar 等[50]研究了極端溫度變化和真空環(huán)境條件下，擠壓3D 打印技術(shù)中尿素對月壤聚合物物理力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)尿素具有減水功能，最大可以降低所需水量的32%。

D-shape 打印技術(shù)由意大利工程師Enrico Dini 提出，它是利用一個可移動打印噴管陣列將黏合劑噴灑至砂質(zhì)材料，黏結(jié)疊加得到建筑構(gòu)件。2014 年，Cesaretti G 等[51]以模擬月壤為原料，采用D 型3D 打印工藝制備了具有良好抗拉強(qiáng)度和韌性強(qiáng)度的“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)件；2010 年，Ceccanti G 等[52]以模擬月壤為原料，使用無機(jī)溶液固結(jié)成功打印出“放射蟲”結(jié)構(gòu)件，該技術(shù)已被證實(shí)在真空環(huán)境中可以正常開展工作。

激光3D 打印以激光束定向燒結(jié)月壤粉體熔融，由計(jì)算機(jī)控制層疊堆積成型、凝結(jié)的技術(shù)。該成型技術(shù)可控參數(shù)較多，如月壤顆粒的粉體形狀、熱轉(zhuǎn)變溫度、熱導(dǎo)率、激光吸收率、激光作用功率、掃描速度、掃描間距、層厚等參數(shù)，都對最終成型構(gòu)件質(zhì)量有重要的影響。Balla 等[53]在2012 年使用連續(xù)波Nd-YAG激光在3 mm 厚的鋁合金基板上進(jìn)行了模擬月壤的直接3D 打印實(shí)驗(yàn)，制備出了直徑8～10 mm、高25～30 mm、相對理論密度92%～95%的構(gòu)件，證明了激光3D 打印的可行性。Fateri 和Gebhardt[54]利用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備出了10 mm×10 mm×3 mm 的方塊試樣及齒輪螺母樣件，其硬度值為1 245 HV，高于同一燒結(jié)條件下二氧化硅的硬度值（865 HV）。Gerdes等[55]研究了金屬基底和陶瓷基底在不同激光功率、不同打印速度下的成型質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)月壤原材料在陶瓷基底上具有更好的3D 打印效果。

“月壤油墨打印”成型技術(shù)是將黏合材料（即“油墨”）選擇性地沉積到月壤粉末床，將月壤粉末黏合在一起，從而制造出工程需要的幾何結(jié)構(gòu)部件。Taylor 等[56]在2018 年開發(fā)了一種由JSC-lA 模擬月壤以及聚乳酸羥基乙酸有機(jī)物混合而成的3D 打印“油墨”，后將油墨直接擠出成功打印出了微支柱的規(guī)則桁架結(jié)構(gòu)件。北京航空航天大學(xué)周思齊等[57]以水膠比0.28～0.32 的BH-1 模擬月壤地質(zhì)聚合物漿體為打印墨水制備道路材料，采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)測試了打印溫度在40～80 ℃下漿體的流動曲線，得到剪切破壞特性。

光固化成型技術(shù)主要以光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的結(jié)構(gòu)部件。2019 年，中國科學(xué)院航天制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Liu M 等[58]使用3D 光固打印的方式，利用模擬月壤所制備構(gòu)件的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了428.1 MPa、平均抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到了129.5 MPa。

太陽光聚焦3D 打印技術(shù)，是通過直接聚焦太陽光實(shí)現(xiàn)外星壤增材制造。Kayser Works 公司創(chuàng)始人Markus Kayser 于2011 年在撒哈拉沙漠通過太陽光3D 打印機(jī)采用砂子成功制備出等截面扭轉(zhuǎn)和變截面構(gòu)件。德國聯(lián)邦航空航天中心A.Meurisse 等[59]利用模擬月壤材料首次制成了太陽能3D 打印磚，但抗壓強(qiáng)度不到5 MPa，目前無法直接應(yīng)用于工程建設(shè)。在1 000 ℃條件下通過逐層覆土的方式制備了模擬月壤磚，證實(shí)了太陽能聚光打印的可行性。

綜上所述，擠出打印成型、D-shape 3D 打印、“月壤油墨”打印成型月壤構(gòu)件，需要從地球上運(yùn)輸?shù)奶砑觿?，且成型過程受微重力的限制，其技術(shù)還有待進(jìn)一步考證。激光3D 打印技術(shù)，整體黏結(jié)性能較差，激光熱源機(jī)理對燒結(jié)的影響關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。光固化成型技術(shù)需要激光聚焦設(shè)備、反應(yīng)性稀釋劑、光引發(fā)劑等，成型過程自動化程度高、尺寸精度高、表面質(zhì)量優(yōu)良，目前得到成型構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度值最高。但是該成型技術(shù)制件脆性大、可使用材料的種類少、液態(tài)樹脂有氣味和毒性，所需要的樹脂材料需要從地球上運(yùn)輸。太陽光聚焦3D 打印成型技術(shù)，尚存在燒結(jié)制品整體度差、強(qiáng)度低等問題，且構(gòu)件缺陷形成機(jī)理缺乏充分研究，但是該技術(shù)無需要從月球上輸運(yùn)材料，可能發(fā)展為未來月球基地建設(shè)的重要技術(shù)支撐，或?qū)⒊蔀樵虑蛸Y源原位利用技術(shù)的重要組成部分。

3 冶金提取研究進(jìn)展

3.1 化學(xué)介質(zhì)還原法

化學(xué)介質(zhì)還原法是根據(jù)月壤的化學(xué)性質(zhì)，通過氫氣、甲烷等碳基作為燃料，以鹵素氣體作為還原介質(zhì)對月壤中的氧化物成分進(jìn)行還原，提取所需要的金屬或氣體。

在氫氣還原月壤研究方面，由于水電解可得到的氫氣和氧氣，當(dāng)溫度在100～2 000 ℃范圍時，月壤風(fēng)化層中的鐵氧化物可以被還原，得到金屬鐵。Carr 等[60]在1963 年提出了水電解為氫氣和氧氣的試驗(yàn)裝置，如圖1 所示。該裝置在試驗(yàn)過程中需要保持較高的氫氣分壓，同時產(chǎn)生水蒸氣，需要將水蒸氣移出反應(yīng)系統(tǒng)。Denk 等[61]提出一種可連續(xù)工作面包板式反應(yīng)裝置，該裝置可以通過太陽能聚焦加熱至高溫條件，分解出氫氣處理鈦鐵礦。2017 年，ESA 發(fā)明一套試驗(yàn)裝置（見圖2），該裝置同樣是通過氫氣還原月壤，并以純鈦鐵礦為試驗(yàn)材料，得到了34%的還原率[62-63]。英國H.M.Sargeant 等[64]以氫氣作為還原介質(zhì)，還原模擬月壤（NWA 12592）和一塊月球隕石（NWA 12592）、兩種阿波羅月壤（10084 和60500），發(fā)現(xiàn)阿波羅月壤（10084）的O2還原量最高。

圖1 氫氣還原過程示意圖Fig.1 Hydrogen reduction process diagram

除了氫氣作為還原介質(zhì)，工業(yè)生產(chǎn)中碳基還原劑也可以用于月壤氧化物的還原反應(yīng)[65]。Loutzenhiser等[66]自主研發(fā)了聚焦太陽能還原二氧化硅實(shí)驗(yàn)裝置，加熱溫度至1 724～1 990 ℃，通過木炭還原高純度二氧化硅得到了金屬硅。2022 年，希臘雅典國立技術(shù)大學(xué)Michail Samouhos[67]對BP-1 模擬月壤進(jìn)行了碳熱還原，發(fā)現(xiàn)在溫度1 300 ℃條件下，大量使用碳還原劑可以促進(jìn)粒狀硅鐵合金的形成，該硅鐵合金后期還可以應(yīng)用于3D 打印材料。

由于氣體F2的氧化性強(qiáng)于O2，氟可以取代氧置換出氧氣。2020 年，南非開普敦大學(xué)Evren M.Turan[68]采用氟化工藝，發(fā)現(xiàn)每千克模擬月壤可以生產(chǎn)0.21 kg的硅和0.32 kg 的氧。但是，由于氟腐蝕性較強(qiáng)，在每個反應(yīng)過程中都需要專用反應(yīng)設(shè)備，因此該試驗(yàn)過程較為復(fù)雜。此外，月球上缺少氟氣，采用該試驗(yàn)方法提取化學(xué)物質(zhì)時，需要從地球上輸送氟氣。

此外，歐洲航天局P.Reiss 等[69]通過熱重分析（TGA）法，將純氮、氫和甲烷作為還原介質(zhì)，對純鈦鐵礦和模擬月壤（NULHT-2M）進(jìn)行還原試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氫氣可以很好地還原鈦鐵礦，當(dāng)試驗(yàn)溫度500 ℃時，氫氣可以用來減少模擬月壤鈦鐵礦的含量。由于模擬月壤的損失不顯著，通過甲烷還原時，出現(xiàn)一些副產(chǎn)物，如水、二氧化碳和一氧化碳等，其精確的反應(yīng)物質(zhì)量需要進(jìn)一步研究。

3.2 電化學(xué)還原法

電化學(xué)還原法是通過電極和固體/液體界面給液體中的離子或分子提供電子使其發(fā)生還原反應(yīng)的方法。對月壤電化學(xué)還原，主要包括直接熔融電解法和熔鹽電解法。熔融電解法是在熔爐內(nèi)放置月壤并將溫度升至1 600 ℃左右，熔融狀態(tài)月壤通電后，陰極的金屬陽離子被還原為金屬或合金，氧離子遷移陽極析出氧氣。由此，可達(dá)到制備金屬材料和氧氣的目的。熔融電解過程需保持較高溫度，熔融月壤具有一定化學(xué)侵蝕性，電極材料需要承受1 600～2 000 ℃的高溫并具有一定的耐腐蝕性，常見的如銥、鉑等貴金屬。由于月壤材料的稀缺及試驗(yàn)條件的限制，目前缺乏相關(guān)研究報(bào)道。

熔鹽電解法是將月壤熔融狀態(tài)下加入熔鹽介質(zhì)電解，提取金屬和氧氣的方法，其中陰極析出金屬，陽極析出氧氣。熔鹽電解法主要包括FFC[70]法和OS[71]法，如圖3 和圖4 所示。兩種方法的區(qū)別在于陰極設(shè)置差異，F(xiàn)FC 法的陰極是放置一定強(qiáng)度和孔隙的月壤燒結(jié)柱，直接電解得到氧氣和金屬物質(zhì)，而OS 法是在陰極內(nèi)部裝有月壤粉末樣品通過鈣熱還原法得到金屬和氧氣。

圖4 熔鹽電解法- OS 法Fig.4 Molten salt electrolysis method-OS method

2010 年，劍橋大學(xué)Kilby K T[72]等研究結(jié)果表明，模擬月壤的熔鹽電解效率在40%～60%之間，而在冰晶石熔鹽體系中電解鋁的電流效率可達(dá)95%。英國劍橋大學(xué)Kamal Tripuraneni Kilby 等[73]開展了利用石墨材料作為陽極和氧化錫（SnO2）基作為陽極進(jìn)行，電解還原氧化鉻（Cr2O3）的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用SnO2作為陽極可以提高點(diǎn)脫氧的電流效率，SnO2基材料的電流效率為55%；相比之下，石墨在3.0 V 和2.0 V 時分別為30%和50%。2017 年，東北大學(xué)Xie K Y[74]采用惰性陽極鋁熱還原電解法從模擬月壤1 號（MLS- 1）中提取氧氣和金屬，在冰晶石鹽介質(zhì)中熔融的MLS-1 和金屬鋁加熱至980 ℃高溫持續(xù)4 h，進(jìn)行鋁熱還原，得到了Al、Si 和Al5FeSi。

2020 年，英國格拉斯哥大學(xué)Bethany A.Lomax 等[75]開發(fā)了一種同時從月壤中提取氧氣和金屬的工藝裝置，該工藝裝置采用SnO2作為陽極板電解還原模擬月壤粉末顆粒，試驗(yàn)樣本中大約1/3 的氧氣以氣體的形式析出，其中總氧的96%被成功提取，其余得到混合金屬合金產(chǎn)品，由于反應(yīng)堆容器的腐蝕性而有所損失。2022 年Alexandre Meurisse 等[76]研 究 通 過將純CaCl2鹽轉(zhuǎn)變?yōu)镵Cl、NaCl 和LiCl 的共晶混合物來降低電化學(xué)FFC 過程的溫度。在660 ℃的所有共晶中，在24 h 內(nèi)可以去除月球礦物中40%的氧、在950 ℃的CaCl2的基線條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，可以去除85%的氧氣。Yanhua Peng 等[77]研究在氬氣環(huán)境下模擬月壤與石墨混合采用高溫碳熱電化學(xué)還原方法（溫度為1 000～1 600 ℃），得到單相α-Fe，且無殘余雜質(zhì)。

由于熔融電解法需要持續(xù)的高溫環(huán)境，且對于電極和反應(yīng)容器具有一定的化學(xué)腐蝕性，目前的條件難以滿足熔融電解實(shí)施。因此，高性能廉價電極和電解槽材料開發(fā)及真空環(huán)境下的電解效率提升也是目前電解還原的重要方向。熔融電解直接以熔融月壤為電解質(zhì)，電解得到金屬材料及基地建設(shè)所需要的氣體等，是月壤資源原位利用發(fā)展的方向。熔鹽電解所需的電解溫度較低，可成功地制備金屬和氧氣。但需要地球供給氯化物或氟化物，試驗(yàn)過程中因揮發(fā)等造成的損耗也不利于電解物質(zhì)的循環(huán)再利用，在月壤資源原位利用中有一定的局限性。

3.3 真空熱解法

真空熱解法是在一定真空度下，將月壤樣品在熱解器中加熱至幾百度或更高，使樣品蒸發(fā)、分解為氧化物、氣態(tài)金屬和氧氣等。最早于1992 年由Steurer、Nerad 等[78]提出氣相熱解試驗(yàn)的方法，如圖5 所示。該實(shí)驗(yàn)裝置將月壤顆粒作為原材料，通過聚焦板將太陽光聚集，將月壤顆粒分解出游離氧，通過冷凝線圈降低氧氣和金屬冷凝的溫度，收集氧氣。

圖5 真空熱解法分解月壤Fig.5 Decomposition of lunar soil using vacuum pyrolysis method

2002 年Colao F[79]、Nakano M 等[80]利用激光維持的等離子技術(shù)研究氧化鋁的高溫?zé)峤猓囼?yàn)結(jié)果表明，氧化鋁一旦超過沸點(diǎn)，就會隨著蒸發(fā)分解成各種原子和分子。月表具有豐富的太陽能源和高真空的環(huán)境，激光熱分解不需要添加還原劑即可實(shí)現(xiàn)金屬和氧氣的制備，是目前具有較好發(fā)展前景的月球冶金提煉方法。但是，由于激光保持等離子（LSP）的大溫度梯度難度較大，氧化鋁粉體難以加熱至汽化的溫度，其還原率始終較低，現(xiàn)階段研究仍存在較大的困難，需要進(jìn)一步開展深入研究。2005 年，Sauerborn M 等[81]和Matchett J 等[82]采用太陽輻射能和菲涅耳透鏡聚焦太陽光的方法，在真空環(huán)境下高溫分解金屬氧化物和硅酸鹽、模擬月壤等。采用大型菲涅耳透鏡將太陽輻射聚焦在位于真空室內(nèi)的一小塊模擬風(fēng)化層樣品上，將樣品加熱至1 000～2 000 ℃之間，實(shí)現(xiàn)模擬月壤樣品的分解，并測量了壓力、溫度、質(zhì)量損失、殘余氣體等，對月球表面氣相熱解對氧氣的加工和制備進(jìn)行了研究。2007 年，Yabe 等[83]采用脈沖激光加熱的方式，在地球上開展了氧化鎂分解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高溫煅燒中產(chǎn)生的氣團(tuán)存在中性鎂粒子，當(dāng)溫度超過4 000 K 時氧化鎂熱解生成氧氣和鎂。2009 年，Burton 等[84]設(shè)計(jì)了一個采用核輻射源加熱的封閉間歇循環(huán)系統(tǒng)，模擬了從月壤風(fēng)化層中提取氧氣的過程。

日本東京工業(yè)大學(xué)Liao S H 等[85]通過激光誘導(dǎo)氧化鎂生產(chǎn)了Mg，成功地從SiO2中去除了氧，同時得到硅和鎂。2022 年，Chengyun Wang 等[86]研究了原始低鈦模擬月壤光聚合熱處理分解工藝，獲得了抗折強(qiáng)度為108.8 MPa、抗壓強(qiáng)度為222.8 MPa 的最佳燒結(jié)件。Garrett L.Schieber 等[87]提出一種新型的間接太陽能接收器，通過太能輻照，分解月壤冰風(fēng)化層，從而在月球永久陰影區(qū)域月壤中熱提取水。布倫瑞格大學(xué)Julian Baasch 等[88]利用鋁、鋁合金和模擬月壤鑄造各種鋁制構(gòu)件。Matthew G.Shaw 等[89]提出了一種在月球環(huán)境條件下利用太陽能對月壤中氧化物進(jìn)行選擇性熱分解以生產(chǎn)金屬鈉和金屬鉀的理論途徑，在800 ℃環(huán)境下第一次分解FeO，第二次分解得到Na 和K。

冶金提取技術(shù)見表2。

表2 月壤冶金提取技術(shù)總結(jié)Table 2 Summary of Moon Soil Metallurgical Extraction Technology

4 熔融月壤風(fēng)化層制備玻璃纖維

玄武巖纖維是玄武巖石料在1 450～1 500 ℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖連續(xù)纖維具有高強(qiáng)度、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等性能，目前已經(jīng)在地球制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所馬鵬程等[90-91]與德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所合作，利用玄武巖本身含有的金屬元素，將樣品通過高溫爐加熱至1 500 ℃，持續(xù)2 h，將樣品晶相完全熔融，隨后把熔融體用水快速冷卻，得到月壤玻璃體。將月壤玻璃體粉碎后加入到連續(xù)纖維拉絲熔爐中，在1 400 ℃下保溫0.5 h，用牽引棒牽引將其繞在拉絲機(jī)上，通過控制拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速得到具有不同直徑的連續(xù)纖維。顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣材料的概念，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電玄武巖纖維的制備。

隨著月球基地建設(shè)的開展，利用月球玄武巖就地取材制備纖維材料、纖維材料用量比例設(shè)計(jì)與工部件形態(tài)研究、月壤纖維單件與個部件之間相互作用等，有可能成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

5 月壤生物、生命工程就地資源利用技術(shù)研究進(jìn)展

未來需要建設(shè)載人月球基地，在月球基地構(gòu)建高效的植物栽培技術(shù)體系是實(shí)現(xiàn)受控生態(tài)生保系統(tǒng)功能的重要保障。月壤具備植物生長必需的元素，構(gòu)建基于月壤資源的植物栽培技術(shù)體系，能夠進(jìn)一步提高月球基地的獨(dú)立性和自給能力。2014 年，中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦利峰等[92-93]以低鈦玄武質(zhì)模擬月壤作為研究對象，通過模擬月壤中的氮、磷、鉀肥力含量和礦質(zhì)養(yǎng)分含量動態(tài)變化為研究對象，開展為期50 d 的月壤肥力生物改良實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)魚腥藻和水華魚腥藻在模擬月壤上的生物量隨培養(yǎng)時間增加而升高，模擬月壤中的可溶性氮、總氮含量和有機(jī)碳含量增加。北京航空航天大學(xué)Zhikai Yao 等[94]，以栽培小麥苗長為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)模擬月壤內(nèi)部的生物具有改善固體廢物、發(fā)酵等功能。Yao 等[95]提出一種月球表面地外光合作用的途徑，通過利用太陽能對嫦娥5 號月壤樣品、水分解和CO2轉(zhuǎn)化，獲得O2、H2、CH4和CH3OH 等一系列氣體物質(zhì)。這對實(shí)現(xiàn)“零能耗”地外生命支持系統(tǒng)提供了可參考的方案。

6 結(jié)論

目前國內(nèi)外針對月壤資源的原位利用技術(shù)已開展了大量研究工作，月壤資源利用領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展。但是由于月球空間環(huán)境的獨(dú)特性，一些已有的技術(shù)尚未成熟，缺乏對月球空間環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境等相關(guān)適應(yīng)性的試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，月球的超高真空和微重力特點(diǎn)可為資源的原位利用提供無氧反應(yīng)環(huán)境、無容器生產(chǎn)和冶煉等，大溫差、宇宙射線強(qiáng)輻射給材料及產(chǎn)物穩(wěn)定性帶來了不確定因素等，提升了部分技術(shù)的實(shí)施難度。

（1）月壤的黏結(jié)成型技術(shù)可以直接、快速地實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的制造，制得的模擬月壤樣品力學(xué)性能良好，在工業(yè)制造和建筑業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。但是制備過程中所用的活化劑溶液需使用大量的水，向月球上運(yùn)輸材料成本較高且使用難度較大，并且真實(shí)月壤是否具有地聚活性還需進(jìn)一步探究，所以該方法在月球上應(yīng)用面臨著挑戰(zhàn)。

（2）硫磺混凝土具備較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度、較大的彈性模量及耐腐蝕性，且可以熔融收回重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，但是部分原材料需要從地球上輸運(yùn)。地質(zhì)聚合物混凝土少，整體成型結(jié)構(gòu)更為致密，試件抗壓強(qiáng)度較好，但月面真空環(huán)境下攪拌、澆筑成型難以實(shí)現(xiàn)。燒結(jié)成型法易于大批量制造，生產(chǎn)效率高，所產(chǎn)出的成品需要一定熱源設(shè)備技術(shù)，未來需要在設(shè)備和工藝適應(yīng)性方面開展進(jìn)一步研究。

3D 增材制造技術(shù)可用于各類復(fù)雜形狀零部件的制造，所得燒結(jié)制品存在整體度差、強(qiáng)度較低、生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。月壤燒結(jié)成型研究雖然取得了一定的進(jìn)步，但由于實(shí)際的月壤成分復(fù)雜，在燒結(jié)、熔融過程中可能發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化，這給控制燒結(jié)條件帶來了困難，從而導(dǎo)致產(chǎn)物強(qiáng)度難以提升。月球晝夜溫差極大、太陽風(fēng)、宇宙輻射強(qiáng)烈等惡劣環(huán)境因素導(dǎo)致單一的月壤燒結(jié)制品生產(chǎn)條件難以滿足。

（3）化學(xué)介質(zhì)還原法、電解法、真空熱解法等技術(shù)在前期的研究中，取得了一定的進(jìn)展。

（4）直接熔融月壤制備玻璃纖維法是較具前景的原位利用手段，但在月球環(huán)境下的適用性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

總體來說，當(dāng)前對月壤物理特性研究及其對月球原位資源利用影響的綜合研究，缺乏基于返回樣品的月壤微觀特性、物理特性及其成因的深入分析，特別是基于月壤返回樣品、原位探測數(shù)據(jù)以及規(guī)范化月壤綜合物理特性數(shù)據(jù)庫支持的地面模擬實(shí)驗(yàn)的等效驗(yàn)證；缺乏基于返回樣品分析結(jié)果的月球表面鈦鐵礦、3He 以及水冰的分布特征和儲量的精確評估以及相應(yīng)資源原位利用方案的優(yōu)化和升級。長遠(yuǎn)來看，可考慮同時發(fā)展月壤提取冶金技術(shù)與月壤材料化成型技術(shù)，形成原料制備、構(gòu)架制造的生產(chǎn)鏈，實(shí)現(xiàn)對月壤資源的規(guī)?；?、連續(xù)化、模塊化利用。