月壤原位利用工程技术发展浅析

王志浩，刘宇明，田东波，马子良，于 强

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

0 引言

原位资源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）是指利用原位资源（包括天然的和遗弃资源）的硬件装置或实施的操作过程，其目的是为无人或载人探测制造产品和提供服务[1]。在ISRU 体系当中，对颗粒物质的利用占据重要地位。本文针对月壤ISRU，就国内外研究现状、任务、技术路线及近期发展方案等方面展开论述。

月壤中几乎包含了所有深空探测、生命保障所需的元素，其中氧、硅、铁、钙、铝和镁元素含量较高，其质量分数分别为42%、21%、13%、8%、7%、6%[2]。历次月球采样的部分矿物质成分基本相同，随采样地域略有差别[3]，其稳定的矿物组成是实施月壤原位利用的化学基础。发展月壤ISRU 工程技术是空间化学工业和冶金工业的基石，也是支撑未来自给式空间探测及资源利用的物质保证；月壤颗粒物质易于获取，粉末状的形态易于加工和处理，具有广阔的材料制备和基础设施建设方面的应用前景；月壤原位利用技术是长期运行月球基地建设的重要基石，是未来国家间星际资源划分的重要依据，也是未来人类实现星际移民的起点。

随着我国探月工程“绕、落、回”分阶段逐步实施，后续探月工程任务的规划和设想也逐渐提上日程[4-10]，均涉及月壤的原位利用问题。文献[11]归纳和介绍了月球基地的建筑材料和制氧方法，文献[12]给出了制氧方法的建议，但是国内相关研究机构对于月壤ISRU 工程技术的分析论述不够充分。

本文拟重点分析NASA 在ISRU 领域的工程技术发展现状，结合月壤ISRU 任务设想，提出阶段化月壤ISRU 工程技术发展构想。

1 发展现状及趋势

截至目前，NASA 在月球ISRU 技术领域取得了显著的成果，已实施多次外场模拟试验[13-14]。其中重点实施了极冰/挥发物资源特性探测、月壤制氧、基础建设相关、配套工程以及原位制造等项目。

极冰及挥发物资源特性探测方面，于2005年开展了土壤环境科学、氧及月球挥发物提取（RESOLVE）项目，钻取月壤样品，检测是否含水，测量和评估可能的气体挥发物并制取氧气[15-16]。目前RESOLVE 已完成了多次钻探、挥发物探测以及制氧操作[17-20]。

月壤制氧方面，NASA 重点开展了氢还原法、碳热还原法、熔盐电解法及真空热解法方面的研究。分别研制了PILOT及ROxygen 两套氢还原样机，用于搅拌、加热和还原月壤[21-22]，其外场模拟试验（如图1和图2所示）显示氧提取效率约为1%～2%[23]。NASA 委托Orbitec公司研制了一套碳热还原系统（如图3所示），使用光纤将汇聚光引入反应器中[24]，氧提取效率约为9.6%[25]。NASA 还资助了熔盐电解法制氧（装置照片如图4所示），对所用熔剂、电极、气体采集与分析、补给与出渣等方面开展了研究[26-27]。真空热解制氧方面，NASA 委托乔治·华盛顿大学对压力、温度、质量损失及残余气体进行了全面的分析，但对于生成的气体未作分馏处理[3]。

图1 PILOT 外场试验Fig.1 Field test for PILOT

图2 ROxygen 外场试验Fig.2 Field test for ROxygen

图3 碳热还原系统Fig.3 Carbothermal reduction system

图4 熔盐电解装置照片Fig.4 The molten salt electrolysis device

基础建设方面，NASA 研制了两台小型采矿车，分别为Cratos和筒鼓开采车（分别如图5和图6所示）[28]；研发了“推土机”叶片，命名为LANCE（见图7），用于处理大量月壤[29]；研究了静电选矿方法，在真空下可使矿物颗粒有效分离[30-31]。

图5 Cratos 采矿车Fig.5 Cratosmining vehicle

图6 筒鼓采矿车Fig.6 Bucketdrum mining vehicle

图7 LANCE 清障车Fig.7 LANCE wrecker

建筑材料方面，NASA 利用黏合剂与模拟月壤混合并模压成形（见图8），其中无机黏合剂的重量比约占30%[32]。欧空局资助的研究团队，采用3D打印机实现穹顶建造，其工艺是将氧化镁和颗粒物质混合，再用黏性盐将建材粘合成型，图9为打印而成的蜂窝结构构件[33]。

图8 利用JSC 工艺制备的砖块Fig.8 Brick compressed using JSC technique

图9 使用仿真月壤3D打印出的月球基地组件结构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]以及光纤传输聚焦方法（图10～图11）[35]。此外NASA还资助了微波烧蚀成型方法的研究，试验结果表明，温度升高，月壤试样热吸收能力也随之升高[36]。

图10 反射聚焦装置Fig.10 The reflection focusing device

图11 光纤传输汇聚系统Fig.11 The optical fiber transmission focusing system

配套工程方面，NASA 资助了凯斯西储大学研究基于土壤力学理论分析不同参数对挖掘力的影响[37]。NASA 格林中心研制了新的月壤力学真空试验系统，用于测试月壤的力学性能[38-39]。NASA 肯尼迪中心设计了一套气动月壤转移系统，主要功能是将月壤传送至制氧反应器内[40]。

原位制造方面，NASA 对候选技术进行了试验测试，结果显示电子束熔融（EBM）技术和选择性激光烧结（SLS）技术优势明显[41-42]。NASA 采用EBM设备对月球土壤模拟样本进行了熔融试验，表明电子束熔融技术可用于月表的原位制造[43]。通过熔融电解的方法可以从月球土壤中提取出氧、金属和硅，然后进行加工制造，有望实现精密部件及太阳电池的原位生产[44]。

综上所述，月壤ISRU 领域的发展呈现如下趋势：

1）月壤原位利用的发展将分阶段逐步实施；

2）利用月壤制氧和原位成型固化将是近期研究的重点；

3）月壤ISRU 技术优劣的评判将以高效能高可靠性为准绳。

2 技术路线分析

2.1 工程技术路线

根据可能开展的工程任务，月壤ISRU 工程技术发展技术路线如图12所示。

图12 月壤原位利用工程技术路线图Fig.12 Engineering planning graph of in-situ utilization of lunar soil

完善的技术路线基于月壤特性，包括利用月壤进行氧气制备、推进剂制备、月壤冶金、半导体制备、原位制造及基础建设等方面内容。

2.2 近期发展构想

近期建议重点开展月壤制氧及基础建设的预先研究工作，其中基础建设技术的重点是材料选择 及成型技术。以下从技术路线选择、方案、效率及耗能等方面给出初步的研究结果。

2.2.1月壤原位制氧技术

重点分析比较氢还原法、碳热还原法、熔盐电解法以及真空热解法，相关主要信息和指标如表1所示。

表1 月壤制氧技术相关信息Table 1 Related data of oxygen production using lunar soil

如表1可知，制氧方法适用的矿物成分越多，制备温度越高，氧气的制备效率越高。其中氢还原法反应温度最低，月壤以颗粒物的形态参与化学反应，制备效率最低；其他几种方法制备温度较高，月壤以熔岩的形态参与化学反应，对物质的操控难度较高，但效率是氢还原法的10倍以上。

制氧装置是月壤原位制氧系统的关键设备，由颗粒物转运装置、密封反应釜、气体分离装置、加热装置等构成，如图13所示。将月壤采矿运输车采集到的月壤通过颗粒物转运装置加入密封反应釜中，使用加热装置将月壤加热至反应温度时，通过气体管路通入氢气，生成的混合气体在气体分离装置中进行分离，水电解生成氢气和氧气，氧气由气体管路进入液化存储装置，氢气则经气体分离装置返回密封反应釜继续还原反应。

图13 制氧装置组成Fig.13 Block diagram of the oxygen production device

2.2.2月壤原位成型技术

选择月壤作为基础建设的主要材料无可争议，但对于是否添加辅料，不同的技术路线差异较大。将无添加及有添加条件下月壤原位成型技术路线的优缺点列于表2。

表2 无添加及有添加月壤原位成型技术对比Table 2 Comparison between forming techniques using lunar soil with and without additional reagents

由表2可知：1）无添加辅料的技术路线虽然耗能较高，但由于运输成本较低，适合较大规模的月表基础建设；2）有添加辅料的技术路线虽然运输成本较高，但耗能较少，适合小规模的技术验证；另外其材料稳定性存在一定的问题，需要进一步分析研究。

不同类型的月壤原位成型技术/工艺见表3，可知，烧结成型适合大面积表面成型，而黏结成型和模压成型则适用于小型结构件的生产；从能源消耗的角度出发，烧结成型对能源的需求最高。

表3 月壤原位成型技术/工艺Table3 Lunar soil in situ forming techniques

3 发展建议

根据对月壤ISRU 技术发展的趋势分析及工程技术发展构想，建议开展如下工作：

1）制订月球资源利用发展规划

对月球资源的原位开发和利用可能是人类有史以来最为宏大的航天工程，工程投资巨大，任务周期跨度较大，实施过程复杂，存在较大风险，因此需要按照不同的发展阶段，进行系统性的规划论证，分批次分阶段实施，在协调月壤原位利用技术与月球资源开发利用之关系的同时规避风险。

2）深入分析和研究月壤特性

准确获得月壤特性是进行月壤利用的前提；对关键的月壤特性指标，应具备在线或者离线的分析测试能力。重点关注月壤的力学、热学及电学特性，建立月壤与复杂结构体相互作用的分析模型，确定月表不同边界条件下月壤的力学、热学和电学响应特性。

3）方案设计应在高效率与高可靠性之间寻求平衡

技术方案的选择不应以追求高效率为唯一的判别标准。由于月表条件恶劣，全程操控和处理颗粒形态的月壤要求设备运行稳定，具有较强的防尘能力，且要求设备运行中尽可能降低人工干预，即月壤原位利用装备须具备极强的可靠性，因此应当在高效率与高可靠性之间进行平衡。

4）将氢还原法作为利用月壤制氧的重要选择之一

虽然利用月球极区水冰制氧也是重要选择，但考虑到月球极区温度极低，水冰存在于终年无光照的陨石坑底部，开采难度极高，因此在钛铁矿含量较高的低纬度地区，采用氢还原法也是未来技术发展的重要选择之一。

5）采用无添加月壤作为月表基建材料

基于对未来月表基础建设的设想，无论建筑屏蔽外壳，还是着陆场护堤，亦或道路的建造，所需的土石建筑量都是巨大的；即使需添加的辅料比例很低，数以吨计的辅料运输量在成本上也难以接受。另一方面，一次成型显然要比组件安装更适合自动化操作。据此建议采用无添加辅料的月壤，辅以相应的成型技术进行基础设施建设。