月球资源原位利用进展及展望

阎师，陈辉，袁勇，王旭东



月球资源原位利用进展及展望

阎师1，陈辉2，袁勇2，王旭东3

（1．中国空间技术研究院，北京 100094；2．上海宇航系统工程研究所，上海 201109；3．北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083）

利用丰富的月球资源制造产品和开展各项服务对人类月球探测任务至关重要。文章对NASA月球资源原位利用项目的目标、技术路线、技术成熟度和制氧技术进行了综述，并针对适用于我国的月球资源原位利用项目提出建设性意见。

月球探测；资源原位利用；制氧

0 引言

伴随着人类的探月实践，美国、欧洲和俄罗斯等先后提出建立月球基地的计划，未来我国也将根据国情考虑开展月球基地建设[1]。鉴于高昂的地月运输费用，及月球丰富的能源和矿产资源储备，月球资源原位利用已经成为月球基地等中长期月球任务得以建立、运行和应用的基本技术保证。

为此，国外数家航天机构正布局开展月球资源原位利用技术研究。NASA在“探测技术与开发计划（ETDP）”中，把资源原位利用列为12项关键技术之一，并于马歇尔航天飞行中心成立了专门的研究机构[2]。俄罗斯航天局的“月球-全球计划”提出开展月球内部构造及月球资源原位利用等研究。日本宇宙航空研究开发机构的“月女神计划”，安排了月球资源原位利用技术和验证研究项目。随着我国月球探测计划及相关工程科学活动的实施，月球资源原位利用技术将提上研究日程。

本文综述了NASA月球资源原位利用技术的发展现状，并对我国的月球资源原位利用项目进行了分析与展望。

1 NASA月球资源原位利用概况

1.1 目标与技术路线

早在人类第一次登月之前，NASA就提出了月球资源原位利用（ISRU）概念。直至2005年，人类首个月球资源原位利用项目才得以列入NASA的ETDP中[2]。该项目最初由约翰逊航天中心牵头，然后转由肯尼迪航天中心接管负责，马歇尔航天飞行中心、格伦研究中心、艾姆斯研究中心和喷气推进实验室参与其中。NASA的月球资源原位利用是在探明月球资源的基础上，开发相应的化学处理技术和机器人技术[3-4]，用于月壤挖掘、月壤制氧、极地冰/挥发物资源的分析和测绘，以及利用月球的碳资源生产燃料和水，从而为人类的中长期月球任务供应推进剂、燃料电池反应物、生命保障等任务消耗品以及用于建造基础设施的材料，最终达到大幅减少地月运输成本，降低任务风险，提高任务自主性的目的[5]。

为将月球资源原位利用项目有效地集成到“任务体系计划（MAP）”中，NASA和加拿大航天局在项目立项之初就建立了一个空间资源原位利用的采矿生产流程[2,6-7]，以致力于开展联合技术和集成性测试活动。图1中，“空间资源原位利用采矿生产流程”的起点是根据来自于轨道和现场采集到的有价值信息，以及任务目标、科学目标和资源评估的相关性，由联合科研团队对被探测地点的潜在资源进行分析与定位。有了这些资源信息，就可以进行采矿、现场作业以及产品的加工生产了。加工工艺和产品储存还必须满足最终用户对产品质量、形式和数量的需求。

图1 空间资源原位利用采矿生产流程

此外，在ETDP中，NASA还尝试着将资源原位利用与物流、推进、动力、生命保障、低温储存和管理等其他月面系统集成到一起[2,8]。其关键是系统间液态物质和能量产物的传输与分发，如图2所示[2]。

图2 集成的ISRU-动力-推进-生命保障系统中的液态物质和能量循环

1.2 技术成熟度

在ETDP的推动下，NASA已在月球资源原位利用技术开发和能力建设方面取得了显著的进步。为评估月球资源原位利用技术的能力，NASA使用“技术成熟度（TRL）”作为评价指标体系。其中，TRL 1～2表示较低的技术成熟度，主要开展概念性和实验室可行性评估。TRL 4～5表示较高的技术成熟度，主要针对集成系统级别的测试以及在抛物线飞行等微重力条件下的演示验证。

表1使用TRL评价指标，定量化地给出了ETDP中月球资源原位利用技术的发展轨迹[2]。

表1 ETDP中的月球资源原位利用技术发展进展

1.3 “RESOLVE”与模拟现场试验

为验证月球资源原位利用技术的可行性，NASA在“资源勘探者任务（RPM）”中立项研制用于“月壤与环境科学及氧与月球挥发物提取（RESOLVE）”的有效载荷，这是NASA首次尝试验证地外资源原位利用技术[2]。RESOLVE由中子谱仪子系统、近红外谱仪子系统、钻取系统、氧气和挥发物提取节点（OVEN）子系统和先进的月球挥发物分析（LAVA）子系统构成[6-7,9]。图3所示为重量、动力和体积与RESOLVE设计最为接近的第三代样机[9-10]。

RESOLVE利用氢还原工艺从月壤中提取氧的验证过程主要包括[6-7]：

1）使用1m长的空心钻取样器钻取地下月壤。

2）将钻取的岩芯样品分成若干份，使用拉曼或红外光谱仪检测每份样品中水/冰的存在。

3）空心钻取样器中的月壤样品被输送至OVEN子系统中，并被逐步加热至150℃，使用质谱仪和气相色谱仪检测氢、碳、氮等以及水、一氧化碳、甲烷或氨等的析出情况。

4）挥发物分析试验完成后，升高OVEN子系统的温度至800℃以上，并充入氢气以进行氢还原反应。

5）收集挥发物析出产生的水和氢还原反应产生的水，一并输送到电解器，以电解生成氢和氧。

6）氧被储存起来以供后续使用，氢被再循环利用。

图3 RESOLVE第三代样机

2008年，NASA在地形地貌与月面相似的莫纳克亚山上进行了首次月球模拟现场试验。该试验将RESOLVE与Scarab月球车集成在一起[2]开展了采矿和生产技术验证，现场制造了氧气、水和燃料[10-13]。2010年，同样是在莫纳克亚山，NASA进行了第2次月球模拟现场试验，重点验证了RESOLVE的17种仪器和系统间的集成性。这些模拟现场试验为未来的月球资源原位利用奠定了研究基础[10-14]。

1.4 月球原位制氧

受政策、经费和技术所限，虽然目前大多数月球资源原位利用研究仍停留在理论和方案设计层面，但是NASA已经在实验室对如何从月壤中提取氧进行了相对充分的可行性研究。关于月球资源原位利用在“星座计划”中的作用，NASA几经讨论后形成了这样的共识：对月球前哨而言，月球资源原位利用的首要目的就是制氧[15-16]。

氧是月壤的主要化学成分之一，含量丰富。从月壤中提取氧所需的能量，无论是太阳能或核能，将是月球资源原位制氧技术中需要考虑的首要因素，同时，制氧系统的建造难易以及制氧过程中化学物质的环境友好性也是月球资源原位制氧技术中的关键要素。

目前人们已经提出了超过20种从月壤金属和非金属氧化物中提取氧的概念性方案，并且已经在实验室进行了一些缩比验证试验[17-18]。在提取效率、所需能量和操作复杂性方面，每种工艺都有各自的优缺点。从资源原位利用项目开始至今，NASA相继开展了3种从月壤中提取氧的概念性方案的实验室技术验证[2]。

1）基于氢还原工艺的月壤制氧技术[2]。该工艺是在有氢气存在的条件下将月壤加热至约900℃（低于月壤的烧结温度），使氢和月壤中的铁氧化物反应生成水；水被电解后生成氧气和氢气，氧气被储存起来供后续使用，氢气被再循环用于再次的月壤还原。该工艺效率低，因为在月壤尤其极地月壤中铁氧化物载体矿物含量很低，100 kg的大块月壤只能提取大约1～3kg的氧。

2）基于碳热还原工艺的月壤制氧技术[2]。该工艺是在有甲烷存在的条件下将月壤加热至熔点温度以上（＞1600℃）；甲烷受热裂解，释放出的碳进入熔融的月壤中，并与硅酸盐中的氧反应释放出一氧化碳；一氧化碳再与裂解过程中释放出的氢在催化反应器中反应生成甲烷和水。和前面的工艺一样，水被电解后，氧被储存起来供后续使用，氢被再循环用于再生甲烷反应物。该工艺的效率适中，每100kg的大块月壤可提取10～20kg的氧。

3）基于熔融氧化物电解工艺的月壤制氧技术[2,19]。该工艺在有阴极、阳极和电流存在的条件下将月壤加热至熔点温度以上，电解几种金属/非金属氧化物以释放纯净氧气。按照电解电压的不同，该工艺也可用于制备纯铁、硅和其他金属。该工艺的效率高，100 kg大块月壤可提取20～30kg的氧。

2 我国月球资源原位利用分析与展望

2.1 首选月球原位制氧

根据NASA月球资源原位利用技术的现状与趋势，结合我国探月计划实施的发展情况，我国月球资源原位利用的首要应用目标是月球原位制氧。

在人类最终发现、确定月球上有水之前[20-23]，最重要、最为可行的月球资源原位利用应该就是从月壤中的氧载体矿物原位制氧。首选月球原位制氧，不仅体现在中长期任务中月球环境控制、生命保障和火箭推进系统存在氧供给需求，以及月壤氧载体矿物丰富的氧资源储备[24-25]，更主要的是因为在目前的月球资源原位利用研究中，原位制氧是概念设计、技术成熟度和验证试验最为充分的一个，可行性最高。

2.2 制氧工艺选用

经过对月壤制氧工艺和研究数据的比对分析，认为气-固相的碳热还原工艺较为适用于月球原位制氧，即使用甲烷（气相）还原月壤中的硅氧化物（固相）来制氧。其理由如下：

1）月壤中硅的氧化物储量大，使原位制氧的选址不受月球地点的限制。

2）相比氢还原工艺（使用氢还原月壤中的铁氧化物），使用甲烷还原月壤中的硅氧化物具有更高的制氧效率。

3）该工艺的处理温度低，无须将月壤加热至熔融态，原位制氧设备易于设计、工艺过程易于管理，且能耗低。

甲烷的气-固相碳热还原工艺的主要反应方程式如图4所示。

图4 甲烷碳热还原工艺反应方程式

图5给出了甲烷的气-固相碳热还原工艺的主要工艺流程，包括：

1）碳热还原反应：将月壤输送至碳热反应器，并与甲烷/氢气流一起被加热至处理温度（＜1000 ℃）。

2）甲烷化催化反应：将碳热还原反应产生的合成气（尤其是组分中含有CO和H2的合成气）输送到甲烷化反应器，并在催化剂（例如镍）的作用下，合成气发生反应生成甲烷和水蒸气。

3）水冷凝阶段：甲烷化反应器产生的气体混合物进入到水冷凝器，实现甲烷与水分离；分离后的甲烷被再循环至该工艺的起点，而液态的水被输送至水电解器。

4）电解水阶段：水被电解为氧气和氢气，随后，氧气被储存起来用于其他用途（例如用于生命保障），而氢气被再循环至该工艺的起点。

图5 甲烷碳热还原工艺流程

3 结束语

1）月球资源原位利用是月球基地等中长期月球任务得以确立、执行和应用的基本技术保证，是我国未来探月工程需要重点突破的关键技术，对大幅减少长期空间任务的成本和风险、提高任务系统的可靠性与自主性具有重要的意义。

2）月球资源原位利用涉及诸多技术。不仅包括月球资源探测、采矿、月壤加工、化学和热制备，以及产品的分离、储存和输送等，而且包含物流、推进、动力、生命保障、低温储存和管理等其他月面系统，是一种复杂的技术体系。

3）在人类最终发现、确定月球上有水之前，最重要、最为可行的月球资源原位利用应该就是从月壤中的氧载体矿物原位制氧。甲烷的气-固相碳热还原工艺可作为我国先期研究、验证的月球原位制氧工艺。

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（编辑：闫德葵）

Progress and prospects of lunar resource in-situ utilization

YAN Shi1, CHEN Hui2, YUAN Yong2, WANG Xudong3

(1. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109; China; 3. Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China)

It is quite important in human lunar exploration missionsto make products and provide services based on the moon’s abundant resources. The purpose, the steps, the achievements and especially, the oxygen production in the NASA’s lunar in-situ resource utilization project are introduced in this paper. Some suggestions on our country’s future lunar in-situ resource utilization project are made.

lunar exploration; in-situ resource utilization; oxygen production

V474.3

A

1673-1379(2017)02-0120-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.002

2016-12-15；

2017-03-21

总装备部预先研究项目“载人月球基地概念和总体技术研究”（编号：030101）

阎师（1981—），男，硕士学位，主要从事深空探测研究工作；E-mail: 358438147@qq.com。

王旭东（1974—），男，博士学位，教授，主要从事表面科学与技术研究；E-mail: xdwang@ustb.edu.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544