月球原位资源利用技术研究

李志杰 果琳丽 （中国空间技术研究院载人航天总体部）

月球原位资源利用技术研究

Research on the Technology of Lunar In-situ Resource Utilization

李志杰 果琳丽 （中国空间技术研究院载人航天总体部）

月球上含有丰富的能源和矿产资源，太阳能和氦-3等都是地球能源之外的重要补充与额外储备，如能解决月球原位资源的开发与利用技术，则月球对于人类而言，就是一个几乎取之不尽、用之不竭的能源宝库，同时也能够为人类后续建造载人月球基地奠定基础。

1 引言

绕月探测、落月探测、采样返回是人类开展月球探测的初级阶段，自1969年阿波罗－11（Apollo－11）首次成功实现载人登月以来，美国先后6次将12名航天员送上月球，对月球开展了实地科学考察与采样返回。载人登月条件下的月面资源原位探测活动是人类深化对月球的科学认识，以及深度勘察并开发月球资源的有效途径。为此，从20世纪80年代开始，国际上出现了月球资源原位探测与利用的研究热潮，典型代表是美国航空航天局（NASA）提出并实施的“原位资源利用”（ISRU）计划。

原位资源利用技术是通过勘测、获取和利用地外天体的天然或废弃资源，使人类真正走出地球、迈向深空并可持续发展的过程中必不可少的基础之一。利用该技术，未来航天员可以在地外天体利用当地资源矿产制造推进剂、水、氧气、结构部件或其他物品，增强空间自给自足能力，减少对地球供给的依赖，从而使得地外天体的原位资源利用和地外天体基地的建设成为可能。以月球为例，运输成本约为50000～90000美元/kg，如果在月球上生产1000kg的氧气，用于推进剂和航天员生命保障的支持，则可节省8000kg的近地轨道发射质量。因此，为了实现有人参与的深空探测任务的持续发展，必须充分利用地外天体自身的资源进行生产利用，尽量形成自给自足的资源利用能力，这是实现月球、火星等长期探测任务的关键要素。

原位资源利用技术可以包括四个部分：①对目的地勘测、勘探和测绘指确定可利用资源的过程，可以通过无人探测任务来完成；②资源获取是指原始资源的采集和预处理过程；③加工和生产指原始资源转化为推进剂、能源、生保等消耗品的过程；④制造产品与基地设施安置指支持原位资源利用的工厂和设备支持。针对保障人员的问题，需要重点关注的是行星表面物质利用，消耗品的提取、收集与利用，土壤建筑材料的利用等。

2 月球原位资源利用需求分析

月球基地建设与常驻人口的需要

月球基地是实现人类移民外星球梦想的基石，是人类征服太阳系、开展深空探测的前哨阵地和中转站。围绕月球基地进行的人类长期居住、生产、实验以及资源开发利用，均需要月表资源来维持。需求主要包括基地的建造，氧气和水的制备，生活用品的加工，居住环境的维持等。

（1）月球基地建造

为了建设月球基地，在月球上进行矿产开采等活动，就必须解决建筑材料的问题，应当尽可能就地、就近利用材料开展各种工程建设。月壤物质具有的防辐射、隔热、抗撞击等特性，用它来建造的建筑材料将会更安全、稳定、牢固。因此，开采月壤并进行建筑材料加工是建造月球基地的关键。

月球混凝土是月球基地建设的首选材料。在地球上，混凝土广泛应用于人造建筑材料。混凝土由水泥和填充材料混合构成，其优点是在环境温度下强度不断加强、密度低、热和电的绝缘性高、不可燃、无毒。除了水之外，其他材料均可从月壤中获取。基于此，混凝土可作为在月球上修建月球基地以及其他月面设施的重要建筑材料。此外，月壤的化学成分中，二氧化硅、氧化铝、氧化钙的含量均达到普通建筑陶瓷的要求，因此也可以直接利用月壤作为主要原料制备建筑用的砖。

（2）氧气和水

众所周知，人类的生存是离不开氧气的，因此空气的制备是基地建设中最为重要的环节之一。氮气、氧气、二氧化碳等气体是地球上空气的主要成分，而且这些气体均可从月壤中制取。水是生命之源，是月球上航天员赖以生存的必需品。为了维持生命，航天员每天都需要饮入一定量的水。同时，水可应用于月球基地内部的环控生保系统、热控制系统等。因此，水是人类开发利用月球资源的前提。在月球上，水的来源主要是存在于极地永久阴影区的水冰。

（3）生活用品

人类居住过程中各类生活用品需要加工制造，比如餐具、窗玻璃以及容器等。月壤的主要成分为氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化亚铁、少量的氧化钠、氧化钛，这些原料及月壤中的玻璃质原料可制成玻璃纤维。制备玻璃纤维是很成熟的传统工艺。玻璃纤维主要用于材料增强作用。由于玻璃产品的加工生产不需要水的参与，原料也是就地取用，因此月球上的生活用品主要以玻璃材质为主。

月面生产与科学研究能源的需要

由于月面上需要进行类似于地球上的生产活动，比如对矿物的开采、精选和提炼等，因此需要消耗一些能源，月球上的氦-3便是最佳选择。氦-3是人类未来可长期使用的、清洁、安全而廉价的可控核聚变燃料，其他副产品（如氢、氮、二氧化碳等）也将是月球基地生命保障体系的重要资源。除此之外，氦-3是一种绝对清洁的燃料，和氢的同位素氘发生核聚变反应能产生庞大的电能，而在反应过程不会产生任何放射性废料。因为使用氦-3的热核反应堆中没有中子，只会产生没有放射性的质子，故使用氦-3作为能源时不会产生辐射，不会为环境带来危害。

地球上人类可持续发展的需要

月球上的资源除了满足月表上各类需求外，还需要为地球上的人类发展提供补给，以缓解地球上的资源短缺问题。

（1）能源需求

月球特殊的环境因素使其表面能够高效地获取太阳能，因此可以发展相关技术将月球上丰富的太阳能传输到地球上，以解决地球的能源短缺问题。此外，地球上的氦-3储量仅有15～20t，但在月壤里储量丰富，转化成核能后足够地球使用千年以上。因此，月球上的太阳能和氦-3能在很大程度上解决地球上的能源危机。

（2）矿产需求

由于地球上某些矿产资源有限或者需求量大，例如月海玄武岩中富含的钛铁矿和克里普岩中的稀土元素、铀、钍等，因此我们需要大力开发月球矿产资源，再运回地球作为资源储备。

3 月球原位资源利用规划

月面原位资源利用主要可分为5个过程，即月面资源探测、月面资源开采、月面资源运输、月面资源分离与提取和产品存储。

1）月面资源探测。这是进行月面资源利用的第一阶段，其主要目的是对月面资源的类型、分布进行全面的评估。资源探测从初期载人登月任务开始就已经开展，不过载人登月任务周期短，作业能力有限，因此对月面资源的探测能力不足，得到的资源分布数据存在局限性。随着载人月球探测不断开展，月球资源的探测范围不断扩大，手段也日趋丰富，人们对月球资源的认识也不断增加。在月球基地时期，对月球资源的探测将出现全方位的模式，包括卫星遥感探测、机器人实地探测等。其中机器人实地探测是在航天员或者自主系统的监控下进行月面资源的采样和分析，为月球资源的开发和利用提供数据。

2）月面资源开采。月面资源类型多样，形态各异，分布范围也有所不同，因此月面资源的开采形式也不相同，如月面资源挖掘开采，深层资源钻取开采，水冰与气态资源的收集等。月面开采工作需要大型月面作业机械的支持。月面资源开采的主要内容包括：开发资源确定→设施部署→启动开采系统→实施月面开采。

3）月面资源运输。其包括资源的封装与运输，是连接资源开采和利用的纽带。由于月面温差大，环境变化快，因此需要利用月面封装设备对资源进行封装处理，避免资源遭受污染或发生相态变化。通过资源的月面运输，将开采的资源运送到指定的加工场所进行生产加工，以获得月球基地所需要的资源产品，涉及到的作业系统包括载重运输月球车等。

4）月面资源分离与提取。在获取原位资源后，需要根据需求进行资源的分离工作，目的在于获取要进行处理的目标资源。得到较为纯粹的资源后，利用专业的资源提炼设备，通过物理/化学等手段将资源进行分类、分解和还原，制造月球基地所需要的产品。

5）产品存储。对生产出来的水、氧、氢等各种产品进行封装存储。

全部过程由航天员执行监控与管理，部分设备的执行通过航天员的操作来完成，设备出现故障时，航天员参与维修作业。

月面实地资源探测与利用包含的设备有：①月球探测机器人用于月球资源探测和评估；②挖掘机/钻进车等月面资源开采设备主要用于月球资源的开采；③载重运输月球车用于月面开采资源的封装与运输；④资源分离与提炼设备用于水、氧、氢、氦-3资源等的制备；⑤封装存储设备用于产品的封存。

4 月球原位资源探测

对于月球原位资源的探测应当采取一种“天地结合”的综合探测方式，主要探测方案应当包括在轨探测和月面机器人探测，探测范围将覆盖整个月球。

在轨探测

在轨探测是利用月球遥感卫星对月球进行全面的资源探测，这一过程从月球探测任务初期就开始进行，并一直延续至月球基地时期。在轨探测主要是利用高分辨率X射线谱仪、γ射线谱仪、多波段成像光谱仪等探测设备，对月球的水资源、矿产资源等进行探测，形成全面的、综合的评估结果，支持月球基地资源开发目标的选择。

月面机器人探测

采用月面机器人进行月面机动探测是在对月球全球资源初步了解的基础上进行的定点探测。这种有目的性的探测是为了获取资源的样本，详细分析资源的信息，为资源的开发提供目标。机器人的月球机动探测主要在航天员的监控下进行月面的自主探测或遥自主探测。月面机器人具备长期持续作业的能力，因此必须具备太阳能电池系统和蓄电池系统，可以进行昼夜条件下的工作。白天通过太阳能进行供电，并对蓄电池进行储能；夜间利用蓄电池维持动力，或者通过核能源的方式进行长期持续供电。此外，机器人应具有极强的月面地形地貌适应性，因此月面轮腿式、巡飞式或者跳跃式是一种较为理想的选择。

5 月球原位资源开采

月球基地时期的资源开采规模大、种类多，因此资源开采主要通过月面大型作业设备进行，如月面挖掘机、钻取机等。开采的资源需要利用月面运输设备进行运输，从而建立资源开采区和资源提炼区的作业链。

6 月球原位资源利用

通过月球原位资源利用技术可以在月球上生产制造维持月球基地正常运营的消耗品，如氧资源、氢资源、水资源、能源、建筑资源等。这些资源均可从月壤、矿石、水冰以及挥发物等资源进行提取。

水冰提取方案

水对于人类生命活动的意义不言而喻，因此人类想要在月球建立基地并长期生活，在月球上寻找或者制备水就成为了一个必要的前提。国内外开展的无人月球探测表明，在月球极区陨石坑的永久阴影区可能有水冰资源的存在。2010年，印度月船－1探测器的探测数据表明，月球北极可能存在约为6×108t的水冰。这些探测结果为人类的月球探测与开发奠定了基础，但月球存在水资源是以固体（水冰/月壤混合物、结晶水）的形式存在的，因此为满足月球基地乘员生存和及动植物种/养殖所需的水资源，需要一个较大规模的水资源提取系统。

在长期任务中，对月壤/水冰混合物（脏冰）和含有结晶水的矿物进行采集，通过加热的方式获取基地所需的大部分水资源，同时利用冷凝方法获得初态水，再利用过滤设备进行过滤处理，获得较为纯净的水资源。

矿物资源综合利用

在月球基地建设中，由于从地球补给的运输成本相当昂贵，最大限度的原位开采和使用月球资源变得至关重要。月壤和岩石含有大量的矿产资源，比如硅、铁、钛、铝、镁，含有这些元素的矿物经过采集并进行物理处理后，通过加热、还原反应等设备进行提炼，产生所需的金属、水、氧气、氢气、玻璃等资源月球原位提炼的金属材料，这些材料还可以用来制造月球基地的结构、工具、机构等，而氧气的提取可以弥补水冰资源的消耗。

此外，由于月球表面没有大气层的影响（反射、散射和吸收），每年到达月球范围的太阳光辐射能量高达12×1012kW，相当于目前地球上1年消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万倍，而且月球上不存在建筑物等的限制，因此可无限制地铺设太阳电池板。太阳电池阵发电效率较低，需要大规模布置，利用月面矿物资源对其开展原位制造是最经济的解决途径。

利用原位资源的建造

由于月球表面特殊的高真空、强辐照、昼夜冷热交变等环境，在月球表面活动需要进行冷、热、电磁、防微流星体撞击等防护。修建适合人类居住的场所是月球基地建设的必要条件，它可以在月球上有效地保障人的生存环境。另外，月球表面不存在大气，在飞行器起飞和着陆时，发动机羽流会扬起月球表面大量的尘土、沙砾等，高速的沙砾对月球表面的建筑和设备构成极大的威胁。因此，为着陆架修建坚硬的路基及防护屏障对居住设备具有很大的保护作用。大多数的月球基地计划都是将结构和建筑材料从地面转移至月球，然后在月球组装，这种模式的运输成本非常高，对于大型月球基地的建造是不可能的。而比较经济和可行的方式是进行月面原位资源建造，同时结合数字制造技术用于月球基地的建设。

采用多自由度机器人原位利用月球表面月尘资源进行3D打印建筑结构及材料无疑是月面建造基地的有效途径。采用3D打印技术可以根据图纸设计需求打印出任意结构的建筑结构，在月面3D打印技术中，多种月尘固化途径可供月面基地建设选择，如微波烧结、太阳能光波积热熔融、单组份原位固化、多组分原位固化技术等。

通过可移动的3D打印平台，配合月面月壤、月尘等的采集、过滤、处理、喷涂等系统，共同构成打印过程，并采用相应的粉体成型手段，建造出月面建筑结构。

1）微波烧结操作。微波烧结是在月球表面原位利用微波能量控制烧结熔融月球表面月尘或月壤的技术。在300MHz～300GHz范围内对物体加热，通过微波在物料内部的能量耗散直接加热物料，使用微波原位熔融月壤及月尘，可以铺路，减少月球表面的扬尘，或是制造大型结构材料。

2）光波导熔融操作。光波导太阳能集热光纤可以收集太阳能，并将太阳能通过光纤波导精确定位在需要熔融的月尘或月壤表面，因此，配合3D打印技术的材料输送系统，可以原位熔融制造各种结构材料或是建筑结构。光波导设备的表面抛物线镜面结构可以收集反射太阳能，因此通过聚光后的光线温度可以超过1150℃（NASA聚光熔融实验）。该温度条件可以实现月球表面月尘的熔融或是对钛铁矿的熔炼，获取金属和建筑结构材料。

3）原位浇筑操作。原位浇筑技术可以使用半流体浆料成型具有一定强度的各种三维结构。另外，采用粘结剂将月球表面月尘和月壤粘结在一起，也可以形成具有力学强度的结构材料。比如，硫化浇筑技术可以用于月球表面月尘和月壤的固化成型，并且获得足够的结构强度。月球表面存在硫铁矿（FeS），经过冶炼可以分别获取铁及硫资源。硫化浇筑技术不同于传统的水性混泥土浇筑，该技术不存在真空条件下的水挥发问题，将月球表面月尘、月壤、沙砾等成分和硫粉混合，经加热后冷却，形成的混凝材料的强度可以超过17.24MPa，且材料的固化非常迅速。配合材料输送和数字打印技术，该技术可以建造出任意的建筑结构。经过安装、固定、密封舱门等设备，使用3D打印成型技术即可满足人类的短期居住问题，为进一步的长期探测和月球开发提供场所，为实现资源的综合开发利用奠定基础。

7 小结

月球的矿产资源、能源资源和特殊环境资源将对人类社会的可持续发展发挥长期稳定的支撑作用，地-月系不仅是一个统一的自然体系，而且在人类社会的可持续发展方面，也将构成一个统一的整体。开展载人登月任务和月球基地任务的研究，将是实现载人月球探测目标的最实际的行动，通过人机联合的作业方式，加快月球探测目标的完成，推动社会、科学、军事等方面的快速发展。

月面资源的利用将主要面向月球基地时期的月球探测任务，尤其是载人月球基地，将有大量的航天员在月面驻留和作业，因此消耗品的供给不可能完全由地面运输来实现，要实现可持续发展，必须利用月面原位资源进行生产，自给自足。因此，月面资源的利用技术必然是未来开展月球探测的一项重要技术。