外太空冶金*

宋云峰，赵中伟，刘旭恒

中南大学 冶金与环境学院，长沙 410083

俄罗斯航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基说：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”一方面，随着技术发展人类总会迈出地球，实现太空移民的，而人类文明的物质基础就是资源。另一方面，在地球资源面临日益枯竭之虞，人类在地球环境中实现长期可持续发展方面正面临巨大挑战，这迫使人类到地球之外去寻找新的资源。

太空是个巨大的矿产资源宝库。月球、火星和小行星等天体上，蕴藏着很多地球上紧缺的矿产资源。例如：月球上含有丰富的钛铁矿、稀土、铀、钍，以及地球上极为稀有的核聚变能源材料“氦-3”；火星含有大量氧化铁及锗、镧、钯、铑、金银等；小行星“Germania”上所含有的矿产资源，评估价值更是达到95.8万亿美元[1-3]。外空资源给全球经济带来的增长潜力无疑将是指数级的，也是可持续的。今天，人类正在通过开发丰富的外空资源来实现新的伟大飞跃。

事实上，外空资源开发是航天事业和空间应用的前沿领域，也是近年来国际空间外交舞台及各国航天科技界热议的话题。2015年11月，美国时任总统奥巴马签署了《2015年外空资源探索和利用法》，明确外空矿物资源开采后的所有权归属，引发国际社会热议。卢森堡也积极推进外空采矿立法，开了欧洲先河，成为太空活动的积极参与者。2017年6月在北京举办的“全球航天探索大会”上，深空探测成为举世瞩目的热点话题。目前，已经有行星资源公司(Planetary Resources)、深空工业公司(Deep Space Industries)等计划开发外空矿物资源。

2018年2月由埃隆·马斯克创办的太空探索公司(Space X)发射“重型猎鹰”运载火箭，并成功完成两枚一级助推火箭的完整回收，将商业航天技术又向前推进了一大步。中国的航天技术也发展迅速，2016年中国的火星探测任务批准立项，随着后续 “嫦娥五号”月球探测器的发射，以及首次开展月面无人钻孔取样返回实验，中国探月工程将迈出关键步骤[3]。航空事业的快速发展给我们开发太空资源打下了坚实基础，而在太空资源的开采和太空基地的建设中，冶金工业作为其他建设项目的原材料供给者是必不可少的[4-5]。

人类对任何事物、任何自然现象的认识，都会受到环境条件及相关因素的制约，冶金也不例外。目前使用的冶金理论和规律大多是在地球这个特定的环境中产生的。外太空与地球有着截然不同的环境，在地球环境下发展起来的冶金理论和工艺直接照搬到外太空环境必然会面临“水土不服”的问题。比如，我们赖以生存的地球大气有特定的含氧量(21%)，特定的重力场(地表的重力加速度为9.8 m/s2)，传统的冶炼过程大多是在地球大气环境中进行的。然而在外太空中，环境可能与地球截然不同，比如微重力、高真空，以及天体环境的化学组成也迥然不同，这些都会导致元素的化学行为规律发生显著变化，使得原来的冶金过程难以进行，或者根本无法进行。环境中元素的丰度往往是制约各种化学过程的重要因素，如据地质学家杜乐天的研究，构成地球壳幔岩石的主体是氧(O2-)，其质量分数为46.6 %，原子数分数则为62.55 %，体积更是占了全岩、全矿物的91.97 %，也就是说其他阳离子体积加在一起也只不过8 %～9 %。我们可以将岩石、矿物想象为氧离子的紧密堆积体，岩石、矿物之间的反应虽然千变万化，但氧离子可以看作是基本不动的，只是其他阳离子的带入带出。因此在地面上，矿物学、冶金学的理论根基是氧的地球化学[6]。但是外太空环境组成与地球截然不同，如在太空陨石这种极度缺O富S的环境中就可以生成陨硫钙石(CaS)，而在地球环境条件下就不会有天然CaS矿物存在。再如：地壳中铂品位仅为0.003 g/t，而发现的2011 UW-158小行星核心含有约一亿吨白金；地球表面大气主要是N2、O2，而金星表面大气主要是CO2。不仅如此，重力条件实际也深刻制约着冶炼单元过程的反应工程学和操作条件，如熔池熔炼时，轻的炉渣相上浮，重的锍相及金属相下沉，重力场的作用使得不同的冶炼相得以顺利分离。反之，在外太空的微重力环境下，渣和金属将无法分离。在外太空的超重力环境下，虽然会强化不同相的分离，但又不利于混合，而且采用传统结构的冶炼设备未必能够承受数倍乃至数十倍地球重力的相同物料的作用。

综上所述，在外太空条件下，已有的冶金知识和规律可能已不再完全适用了。本文根据目前了解的外太空环境条件，尝试对外太空冶金作一些初步的探讨。

1 超高真空环境冶金

我们的冶金都在地球大气中进行，地球表面大气压强为一个大气压(1.01×105Pa)，与此对应，冶金理论工艺也是在一个大气压条件下建立的。冶炼过程环境气压一般变化不大，可以看作恒定值，因此在进行热力学分析时，气压往往不作为变量考虑，在应用吉布斯相率计算时f=C-φ+2简化为f=C-φ+1。在冶金中广泛运用的埃林汉姆图是一切氧化物冶金的基础，不过也仅仅适用于地球表面一个大气压的情况。在不同环境的外太空中，气压本身可能是变值或者比较极端，可能是超高真空，也可能超高压，气体成分也不尽相同，因此考虑外太空时需要重新构建冶金理论，各种情况千变万化不可能一一考虑，这里就以超高真空为例作一个探讨。

1.1 外太空条件下氧化物的稳定性变化

随着温度升高金属氧化物的稳定性降低，分解出O2，其自身变成低价氧化物或者金属单质。在地球上，金属与氧亲和势大小(也即氧化物稳定性)的理论判据，一般是采用埃林汉姆图。金属氧化物的氧势与温度关系曲线在埃林汉姆图中的位置越低，说明此金属对氧的亲和势越大，越稳定。埃林汉姆图是以一个大气压为标准态绘制而成，同样地，若以外太空环境气压作为标准态，就可得到外太空埃林汉姆图。以月球为例，其表面大气压仅为1.3×10-7Pa，当系统只有O2一个气相时，以月球环境为标准态的埃林汉姆图与地球的相比发生了RTln(Pθ/P月)的偏移。选取CuO和TiO2两种典型氧化物，在地球和月球的埃林汉姆图如图1所示。由图1可知，在月球环境下，CuO和TiO2的稳定性均下降，且在地球原本很稳定的TiO2，到了月球环境下，稳定性竟然还不如在地球的CuO了。由此可知，在外太空环境中，我们需要重新构建埃林汉姆图来判定氧化物的稳定性。

图1 CuO和TiO2在地球和月球上的埃林汉姆图

根据文献以及热力学数据[7-9]，我们计算了几种典型的金属氧化物，其在高真空中分解的热力学行为如图2所示。

图2 系统气压对几种典型金属氧化物分解温度的影响(1 atm=101.325 kPa)

由图2可知，金属氧化物分解温度随着外界真空度的提高迅速下降。CuO、ZnO和MgO在地球上的分解温度分别为1 694 K、2 268 K和3 435 K，而在月球环境下分解温度分别为759 K、851 K和1 334 K，下降幅度非常大。可以设想，在月球上CuO和ZnO矿物只要受热，在热力学上就有可能分解得到Cu单质和Zn单质。在外太空超真空环境下，金属氧化矿物比较容易分解，这或许可以直接作为一种冶炼某些金属矿物的方法。

1.2 外太空可提供有利的真空冶金条件

事实上，外太空真空度极高，可以达到地球上难以达到的真空度，所有在地球上进行的真空冶金技术，如果搬到外太空进行，其效果也许要比地面上好很多。比如粗金属和合金的蒸馏分离，在外太空真空环境中，金属氧化作用基本上不复存在，而且金属的蒸发温度也相应降低，这样金属的蒸发、蒸馏就能够实现。真空冶金可以应用于分离Zn-Fe、Pb-Sn、In-Zn和Zn-Sn等合金，也可以提纯有色金属及其相关材料[10-11]。

外太空真空环境有利于产生气体的物理化学过程。真空环境下，金属氧化物的还原过程可以在较低的温度下进行。如MgO + C →Mg(g)+ CO(g)反应，该反应在常压下的反应温度高于2 100 K，而当环境压力小于10 Pa后，其反应温度可降至约1 400 K。又如在常压下，火法炼锌中用碳还原氧化锌得到锌蒸气，但降温时锌蒸气很快会被CO2氧化成氧化锌(蓝粉)，因此很难得到液态锌；在真空中氧化锌的还原就不存在这一问题而且可以降低反应温度[12]。

上述冶金过程，在地面真空条件下已经经过实践证明，在外太空超高真空环境中能达到更显著的效果。

2 微重力环境冶金

人类的生产和科学实践都是在地球重力场中进行的，人类在享用地球重力场这一永恒资源的同时，却不甘心永久地受它约束。外太空能帮我们实现这一目标，月球表面重力仅为地球的1/6，而宇宙飞船、空间站等航天器基本上能做到完全失重，如神舟号飞船的平均微重力水平仅10-3～10-4μg。苏联于1969年在联盟6号飞船上完成了空间微重力条件下的焊接和合金熔化凝固实验，开创了人类空间冶金史。此后40多年，世界各国进行了上千次的空间实验，人类开始对空间环境有了实质性的认识。

在地面上进行的冶炼行为，冶金过程利用地球上的重力加速度。在地面上，重力所导致的浮力对流、沉降及流体静压等都会对冶金过程产生影响。在外太空微重力条件下，重力引起的多种干扰均可消除，表面张力和扩散成为主要控制因素。在微重力条件下的冶金行为与地面冶金过程会有很大的不同，下文详细阐述微重力效应对冶金的影响。

2.1 微重力消除浮力对流

微重力条件下，浮力引起的对流能够被消除。当液体被加热时，由于受热膨胀密度变低，在地面重力条件下，受热膨胀的水会由于浮力的作用向上流动。在微重力条件下，密度差别不会产生重力沉降或者浮力引起的上浮，因此液体中的气泡不会由于浮力的作用而向上运动。

例如：泡沫金属材料，由于密度小、吸收冲击能力强等优点受到了广泛重视。在地面上制作泡沫金属，常常将目标金属粉末与发泡剂粉末(如TiH2)混合，再将混合物压制成密实金属基体，然后对其加热升温，当温度高于金属粉末熔点，起泡剂分解产生的气体在熔融状态的金属内部形成无数的气孔，冷却这种金属基体后，即可得到泡沫金属产品[13]。在制作泡沫金属过程中发泡剂产生的气体，在重力的条件下会因为浮力作用较快地从熔体中逃逸，影响产品质量。但在外太空微重力环境下，如果周围环境温度条件控制得好，气泡会比较稳定地停留在熔体中，可以有效地改善这一现象，为泡沫金属的研制提供了新途径。

不过，在微重力条件下，气泡也不会一直稳定地停留。事实上，在太空实验中，我们仍然可以观察到气泡在水中的运动，这是由于浮力对流消失后，液体表面张力的不同也会导致对流，也即马朗戈尼对流(图3)。

温度和溶质浓度的不均匀会引起表面张力的不均匀，对大部分液体而言表面张力随温度的增加而减小，温度低的地方表面张力大，就会牵动流体从表面张力小(温度较高)的地方流过来，这种现象称为马朗戈尼效应。在地球上，马朗戈尼对流作为次级效应容易被重力引起的浮力对流掩盖，但在微重力下，马朗戈尼效应就会成为引起液体及液体中气泡运动的主要因素。当液体所处环境温度变化，形成由高到低的温度梯度，气泡表面附近的液体就会在表面张力的作用下，由高温端向低温端流动，从而驱动气泡向高温端迁移，表面张力就像是一把“桨”在划水，带着气泡在水中游动，这就是气泡在水中的马朗戈尼迁移(图4)[14]。

图3 马朗戈尼效应示意图

图4 气泡在水中的马朗戈尼迁移

马朗戈尼迁移对空间材料的制备有很大影响。在微重力环境下制备合金材料时，金属熔化阶段合金组分均以液体和液滴的形式存在，液滴的马朗戈尼迁移现象显然不利于合金材料内部组分的均匀化，但是，这种特殊的迁移现象又为有效排出气泡和液滴杂质提供了可能。所以，研究外太空微重力条件下的冶金行为，必须要重视气泡/液滴马朗戈尼迁移的影响。

2.2 微重力消除沉淀和分层作用

在外太空微重力条件下，地球重力引起的沉淀和分层作用被极大地减弱。在地球表面，不同密度的物体受到的重力不同，从而产生沉淀作用，流体趋于按密度分层。一个典型的现象就是，在重力条件下，由于液体的密度比气体的大，液体集中于容器底部，液面基本为平面。在微重力条件下，液体分布则由容器中气-液体积分数、液体与容器固壁接触角 θ 决定(图5)[15]。

图5 微重力环境下容器中的液体(带点区域)形状

在重力场中导致的沉降不可避免地会对所制备材料的内部结构产生影响，如难混熔合金会出现液相分离现象。不同比重的组分，熔体在凝固过程中发生分层或偏析现象，难以形成组分均匀的材料。在外太空微重力环境下，则有利于将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合金等都是有着特殊用途的合金材料，由于组分密度相差太大，在地面上制备这些材料难以获得优质合金。如Zn密度是Al的2.6倍，在地面上不能制造出质量小而且刚性强的Al-Zn合金。又如Zn-Pb合金在地面常规凝固条件下只能得到宏观分层组织，密度较大的Pb相会沉到试样底部[16]。但在微重力条件下，密度影响微乎其微，重力对流和物质沉降现象消失了，就有可能制造出高性能合金材料。1983年在哥伦比亚号航天飞机上就成功制造出了Al-Zn合金。在对Al-Pb过共晶体系的研究中发现，在常规地球重力下凝固，Pb颗粒会沉积在试样底部，而在微重力条件下凝固，即使样品冷却速率远小于地面对比实验，实验样品的Pb颗粒都是均匀分布的，微重力有利于制造均匀分布的Al-Pb合金[17]。

2.3 微重力环境可实现无容器冶炼

在地面上熔炼金属一般都要在熔炼炉中进行，但在外太空微重力下，钢球等熔体都“悬浮”着，可以不用容器来装。外太空冶金不需要炉体，它只用电磁线圈和一套特别的装置，就可以完成冶炼。被熔炼的材料悬浮在空中，电磁线圈通电之后，便会使被熔炼的金属材料因电磁感应而产生涡流，温度升高直至熔化。外太空可以实现无容器冶炼，这样就消除了器壁污染及抑制异质形核发生，从而得到更高纯度、更低缺陷密度的高品质产品。

微重力条件下制备的材料，组织完整且内部缺陷少。如在神舟飞船微重力条件下完成的Al-Al3Ni共晶实验，以及生长掺铈硅酸铋单晶实验，在空间加热熔化后，渐渐冷却得到的产品如图6和图7所示[14,18]。

图6 飞船(a)和地面(b)上的Al-Al3Ni共晶合金铸件的纵向剖面18]

由图6可以看出，在地球上制备的Al-Al3Ni合金表面粗糙，能看到较多空腔和缺陷，而微重力条件下凝固的样品则较为光滑，没有过多缺陷。图7可以看出，在微重力环境中生长的掺铈硅酸铋晶体，由于熔体和铂金容器壁没有发生黏连，所以外观光滑且内部结构更加完整，晶体的微观缺陷密度比同样条件下在地面生长的晶体少得多。地面生长的晶体由于熔体和铂金容器壁有黏连，表面有凹坑，导致晶体内部应力大且微观缺陷多。

图7 飞船(a)和地面(b)上的掺铈硅酸铋晶体[14]

上述结果可看出，外太空微重力环境冶金，消除了地面的浮力对流、沉淀和分层作用，并且可以实现无容器冶炼，为冶金提供新的研究方向，具有独特的优势及巨大的发展潜力。

3 超重力环境冶金

外太空具有与地球不同的引力场，除了微重力还可能存在另外一种极端——超重力环境。比如木星的引力是地球引力的2.5倍左右，也不排除遥远未知的大质量天体，其引力场远大于地球。另外，在外太空微重力条件下，可以通过旋转产生离心力，用人造重力场来实现冶金过程。

与微重力下表面张力起主要作用相反，在超重力环境下液体表面张力的作用变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，极大地提高了传递速率系数。超重力场强化了相际分离的特点，在冶金中有很大的应用空间。例如，超重力可以强化渣相和金属相的分离，极大加快冶金反应速率。离心萃取机设备利用了超重力场，能够在极短时间内完成萃取以及溶液相和有机相的分离，在萃取生产中很有潜力。不少研究者将超重力场引入金属材料制备、金属液净化及矿物相分离的研究中，取得了一定的成果。

3.1 超重力制备梯度功能材料

对于冶金工业来说，我们可以利用超重力场做许多工作，可以采用离心铸造法制备梯度功能材料。在超重力下，密度不同的固液两相各自分离，固相发生偏聚并沉积于铸件的一定位置，其含量呈现一定的梯度分布，液相凝固后即可形成梯度功能材料[19]。通过不同方式的超重力铸造法，已经制备出Al/SiC、Al/Al3Ni、Al/Al2Cu等梯度功能材料[20-21]。例如：采用离心铸造方法制备Al3Ti(图8)与Al3Zr颗粒增强的铝基梯度功能复合材料，随着离心力的增加，Al3Ti与Al3Zr颗粒体积分数沿着复合材料的轴向由内向外梯度增加，所以外圈的耐腐蚀性比其他位置要大[22]。

图8 Al/Al3Ti梯度功能材料示意图

3.2 超重力提纯金属熔体

超重力可以用来净化提纯金属。由于夹杂物与钢液之间存在密度差，利用超重力技术可显著提升二者之间的浮力因子，进而促使密度较大的钢液沿超重力方向定向移动，夹杂物向旋转中心迁移，所得钢锭中心部位具有最大氧含量(图9)。20世纪90年代，日本在中间包中利用旋转磁场产生离心室对钢水中非金属夹杂物进行去除实验，进入中间包的钢水做离心运动，钢水中的夹杂物在离心力作用下不断碰撞、聚集、长大、上浮。离心搅拌后钢水全氧含量由20 ～ 40 ppm(1ppm=10-6)降到8～15 ppm，夹杂物总量减少约一半[23-24]。由此证明，利用离心力去除夹杂物是可行且有效的。

图9 径向全氧含量分布

又如，根据Al-Si二元系相图可知，当Al-Si合金中硅的含量处于硅过共晶区域时，合金液凝固过程中的晶体硅首先从母液中结晶析出。由于初晶硅与母液之间存在密度差，在超重力场中可以强化初晶硅与母液的分离。基于此，Li等[25]研究了利用超重力分离Al-Si合金凝固过程中的初晶硅，结果发现，在超重力场中可以实现初晶硅与铝富集相之间的分离。Zhao等[26]将超重力技术引入到工业纯铝去除Fe和Si杂质元素中，实验结果发现，试样中Fe和Si杂质元素的质量浓度沿超重力方向呈现梯度分布，并且随着超重力系数增加聚集程度变大。当超重力场为1 000 g时，试样顶端和底部的Fe和Si的质量浓度之比分别为4.05和2.80，如图10所示。

图10 试样不同样位置(a)和Fe、Si元素分布(b)

3.3 超重力实现有价组元分离

对于几种常见的复合矿冶金炉渣如含钛高炉渣、转炉提钒渣、稀土渣等，有价元素富集相分散且细小，现阶段难以综合利用，超重力在分离这类矿和渣方面则大有作为。李军成等[27-31]将超重力技术引入到分离模拟含钛高炉渣中钙钛矿的实验中，利用钙钛矿相与脉石熔体的密度差异，在冷却过程中进行钙钛矿的定向分离。结果如图11所示，试样出现明显的分层，钙钛矿相富集到试样中下部，熔体中钛回收率达到74.7 %。此外，作者还利用超重力技术提取含钒渣、稀土渣中富钒相以及富稀土相，有价元素回收率效果显著提高。

以上研究结果表明，在外太空环境下运用超重力技术，不仅可以制备梯度功能材料，而且对金属熔体中非金属夹杂物的去除，以及初生相的富集均具有一定的效果。超重力技术可应用到冶金渣中有价值元素的富集提取中，实现资源的二次利用，是一种很有潜力的强化分离技术。

图11 常重力(a)与超重力(b)富集后试样的纵剖图[27]

4 天体化学环境冶金

实际上，我们生活在地球上，现有的冶金理论和技术，都是基于地球特定化学环境衍生的。正如别列雷曼(1981)提出的标型元素概念，指出克拉克值高的元素氧是真正的地球化学独裁者，成为一些元素在迁移途径中不可逾越的障碍，决定着天然系统的地球化学特性，称为标型元素。其余元素屈从于“地球化学独裁者——标型元素”所造成的条件。高丰度元素氧对化学反应具有控制性或制动性，也即化学反应制动效应[32]。因此在地面上，矿物学、冶金学的理论根基是氧的地球化学。但在外太空中，天体的化学环境不同，主体元素可能不是氧，整个冶炼所依赖的的元素化学环境发生了变化，这必然会导致冶金行为的变化。

4.1 天体环境元素构成

漫漫宇宙，地外天体环境与地球有着很大的差别。不用说太阳系外的天体了，即使是太阳系中的各个星体，虽然有着共同的起源，但各自不同的演化特征也会导致不同的化学组成。随着与太阳距离的增加，组成行星核的元素Fe、Co、Ni等逐渐减少，形成壳、幔的主要元素Si、Mg、Al、Ca增多，亲气元素逐渐增多。比如：水星、金星、地球和火星这些类地行星成分富含Mg、Si、Fe、O等组成岩石的元素，含亲气元素少；而木星和土星化学成分则以H、He为主，亲铁、亲石元素少；天王星、海王星和冥王星这些远日行星，成分以C、N、O为主，少量亲铁、亲石元素。即使是地球本身，不同深度元素含量也不一样。

对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度(质量分数)数据(图12)，它们在元素丰度的排序上有很大不同：

太阳系 H＞He＞O＞Ne＞N＞C＞Si＞Mg＞Fe＞S;地球 Fe＞O＞Mg＞Si＞S＞ Ni＞Ca＞Al＞ Na＞Cr;地壳 O＞Si＞Al＞Fe＞Ca＞Na＞K＞Mg＞Ti＞H。

与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显贫H、He、Ne、N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al、K和Na。这是由于宇宙形成地球的演化过程中伴随着气态元素的逃逸，地球原始的化学演化具体表现为较轻、易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则下沉，在地幔和地核富集[33]。现今地壳元素丰度特征是漫长时期内元素演化的最终结果。

图12 太阳系、地球、地壳的元素丰度

4.2 不同天体化学环境的冶金过程

天体组成的元素丰度，直接确定了天体化学作用过程的总背景，是衡量元素集中、分散及其程度的标尺，控制元素的天体化学行为，也直接影响着冶金过程。

(1)天体元素丰度制约元素参与化学过程的浓度，支配元素化学行为。

以地球为例，化学性质相当近似的碱金属元素Na、K、Rb、Cs，由于丰度不同，在地壳地球化学过程中有很不同的行为。高丰度的K和Na在天然水中浓度高，在某些特殊环境中，发生过饱和作用而形成了各种独立矿物(盐类矿床)；而Rb和Cs在地壳中丰度低，在天然水中浓度极低，远达不到饱和浓度，为此不能形成各种独立矿物而呈分散状态。

(2)天体元素丰度限定了元素在自然界的矿物种类及自然体系状态。

实验室条件下，化合物组成的剂量可以任意调配，因此实验室人造化合物数量可达到数十万种；而在自然界大环境下各种元素的丰度及配比已经固定，因此自然界只存在几千种矿物。自然界尚未发现低丰度元素的阳离子和低丰度元素阴离子所组成的化合物，比如硒酸锂(Li2SeO4)和硒酸铷(Rb2SeO4)很难形成独立矿物，而地壳中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K丰度高，因此很容易形成长石、石英、云母等独立造岩矿物。元素丰度同时也决定着自然体系状态，自然界的酸碱度和氧化还原电位变化范围比实验室要窄很多，这都会影响着冶金方法的运用。

(3)天体化学组成决定了元素的亲和性。

天体元素的亲和性与冶金行为密切相关。地壳主体元素是氧，空气中氧含量为21%，有大量过剩的O2，因此在地球这个富氧环境中，极度亲氧的元素如Ti、Zr、Hf、Si等，其结合的氧被夺取就很困难。虽然高度真空可以把氧势降到非常低，但是在地球上难以获得，因此这些元素在地球上就很难冶炼。以Ti为例，冶炼这类亲氧元素所采取的措施：一方面是利用C来夺取氧化物中的O，在高温下C与O结合成CO的能力很强；另一方面通入Cl2与被还原出来的活泼Ti金属单质结合形成TiCl4。相反地，亲硫的元素Cu、Pb、Zn等在地球上则相对容易冶炼，如硫化铜矿只需要鼓吹O2即可熔炼吹炼出铜。

我们可以设想，一个星球氧极度缺少，而天体的主要构成是同族的硫元素，这也不是完全没可能的，比如陨硫钙石(CaS)就是在这种缺O富S的环境中生成的。过渡金属特别是重金属本性是亲硫的，因此该星球上若存在大量的S，就会被重金属等固定下来，变成极不活泼的岩石主体。可以推断，与地球环境中构成岩石的主要是SiO2、CaO、Al2O3等氧化物相反，此星球的岩石基础应该是CuS、PbS、ZnS等系列硫化物了。在地球上很稳定的如Ti、Si等天性亲氧不亲硫的元素，在此星球缺氧的大环境下，注定无法全部与O结合，更大的概率是与S结合。然而Ti与S天性就结合不牢固，可以设想Ti若在此星球上以硫化物形式存在，则无论是简单还是复杂硫化物，都会变得不太稳定了，应该很容易被分解或被还原，因此冶炼难度将极大降低，反之与S结合很牢固的Cu、Pb、Zn、Sb等却会变得很难冶炼了。因此若在此星球上搞冶金，需要基于其“地球化学环境”设计一套全新的冶炼过程，比如需要找更好的还原剂，有普遍意义的一个解决方法可能就是电化学。比如地球上非常难还原的铝，通过电场库仑力断开铝-氧化学键，强制还原得到金属铝，那么在此星球上最难炼的Cu、Pb、Zn、Sb等硫化物也有可能通过电化学方法还原出金属单质。事实上，类似的研究也在地球特殊的环境下进行，如Yin等[34]通过在Sb2S3熔体中加入NaCl-KCl-Na2S熔盐电解还原直接得到了Sb金属单质，为电子导电的过渡金属硫化物的冶炼开辟了新方向。因此，在外星球多硫的环境中，电化学还原冶炼很可能是一个有效的手段。

由上述可知，外太空化学组成的不同会极大地影响冶金过程，面对外太空，我们需要具体分析其主要环境特征和元素组成，重新设计冶炼方案。

5 结语

人类总有一天要走出地球，实现太空移民，外空矿物资源开发正在成为一项为全人类福祉和裨益而开展的航天行为，为解决能源危机，实现人类可持续发展提供了可能。外太空富有地球缺乏的重要资源如铼、铂、钯、氦-3等，如何有效利用外太空资源，也即如何太空冶炼，我们需要对外太空的物理化学环境有深刻认识，因地制宜来开发新的工艺，甚至将原来的理论修正，建立新的外太空冶金体系。如此则冶金非但不是夕阳产业，反将蓬勃发展、方兴未艾。

外太空具有与地球截然不同的物理化学环境，这也决定了其具有完全区别于地面的冶金理论。本文从外太空的典型环境特征出发，详细阐述了超高真空、微重力、超重力以及天体化学环境组成对冶金行为的影响，结果表明，外太空环境的不同会导致其不同于地面的冶金规律，实际情况需要我们具体考虑，对症下药，重新设计冶炼方案。

(2018年5月7日收稿)■