月壤是月球礦物質源的主要載體。 中國礦業年夜學供圖
近日，我國正式公布了載人月球探測義務新飛翔器稱號，新一代載人飛船定名為“夢船”，月面著陸器定名為“攬月”。我國的探月工程打算于2028年前后發射嫦娥八號，將構開國際月球科研站基礎型，并展開資本應用實驗驗證。月球上有豐盛的金屬、非金屬及包養網氣體資本，繚繞著探測、開闢月球資本，新一輪探月高潮曾經開啟。
新一輪探月高潮
礦物質源是指顛末地質成礦感化構成于地下或露于地表、具有開闢應用價值的礦物或元素聚集體。礦物質源是人類社會成長的命根子，近年來，跟著地球資本耗費加劇和部門資本逐步耗竭，開闢應用月球資本已成為新的科技競爭制高點。
我國近日正式公布了載人月球探測義務新飛翔器稱號，新一代載人飛船定名為“夢船”，月面著陸器定名為“攬月”。與此同時，我國的探月工程還有新新聞，繼2020年12月17日嫦娥五號勝利帶回1731克月球樣品后，我國于2022年正式啟動了探月四期工程——將于2024年發射嫦娥六號，完成月背采樣前往；打算2026年前后發射嫦娥七號，展開月球南極周遭的狀況與資本勘查；打算2028年前后發射嫦娥八號，構開國際月球科研站基礎型，并展開資本應用實驗驗證。
國際上，各年夜國也紛紜啟動月球探測開闢打算，掀起了新一輪探月高潮。2017年，美國批準啟動了阿爾忒彌斯（Artemis）打算，其目的是月球南極持久駐留和資本開采，并以此為踏板進軍械星。截至2024年1月，該打算已勝利發射阿爾忒彌斯—I號，并完成了阿爾忒彌斯—II義務4名宇航員的提拔。本輪義務中，美國國度航空航天局采用了國際一起配合及私營企業結合展開的新形式，今朝澳年夜利亞、加拿年夜、意年夜利、japan(日本)、盧包養森堡、阿聯酋、英國等已接踵參加該打算。2024年2月，美國國度航空航天局與私營企業“直覺機械”公司研發的“奧德修斯”著陸器登岸月球，這標志著自1972年以來美國航天重視返月球。
俄羅斯、歐盟、japan(日本)、印度、以色列等也宣布或啟動了各自的探月打算。2015年10月，時任歐洲航天局局長約翰－迪特里希·韋爾納在第66屆國際宇航年夜會上初次宣布其國際月球村打算，并在此后敏捷啟動了以月壤為基材的月面3D打印建造技巧攻關。2023年，俄羅斯發射了月球探測器“月亮—25”，其目的是2035年擺佈在月球上樹立基地、開闢月球礦產資本。
依據結合國《月球條約》規則，月球資本開采遵守“先到先得”規定，今朝月球開闢競爭趨于白熱化。正如中國航天科技團體無限公司嫦娥五號探測器體系總批示兼總design師楊孟飛院士所說，我國月球資本開闢應用已日益緊急、刻不容緩。
月球礦產資本豐盛，采什么？
月球上包含豐盛的金屬、非金包養平臺推舉屬及氣體資本。今朝探測表白，月球資本可分為水冰型、氣體型、鈦鐵礦型、斜長巖型和磷酸鹽型5種。
水冰：月球水冰以聯合水和游離水兩種形狀賦存。聯合水經由過程化學鍵賦存于全月月壤/巖礦物組分中，其含量僅為120～180ppm，開采難度年夜、潛力低。游離水富集于南北極永遠暗影區月壤層，含量高達10%，是水冰資本開采重要對象。月球極區可開采水冰賦存面積可達1850平方千米、預算總儲量約為3×109噸。開采水冰資本可有用處理科研站運轉、航天員駐扎和保存用水需求，是月球科研站運轉和持久駐人的條件前提。水冰經由過程電解等手腕二次加工后還可制造氧氣和氫氣。月球上沒有年夜氣層，氧氣是航天員月面駐扎和保存最基礎前提之一。氫氣液化后可作為優質火箭燃料，有用處理月面運輸、地月往復及向火星等更遠星球飛翔的燃料需求。是以，中國國度航天局、美國國度航空航天局、歐洲航天局、俄羅斯聯邦航天局等均將水冰資本開采列為本輪探月優先義務。
月球水冰起源于巖漿洋演變、彗星等撞擊帶進和太陽風注進。就游離水冰而言，月表極端高溫、超高真空周遭的狀況招致其只能以冰和水汽兩種相態賦存。地質演變經過歷程中，分歧起源的水冰經由過程冷阱捕捉、溫度梯度遷徙、月壤層堆積、低溫升華、高溫凝華等復雜感化，最后在月壤層特定深度富集構成水冰資本層。開采經過歷程中，儲層中的水冰遭到溫度擾動極易升華相變，進而轉變部分區域的真空度；溫度和真空度的變更亦會進一個步驟影響水冰相態轉化。同時，開采經過歷程招致的月壤孔隙構造演變、部分溫度和真空度變更招致的溫壓梯度，均會誘使升華后的水汽逃逸。以後世界列國均在積極研發月球水冰資本開采技巧及設備。
氦-3：氦-3是月球氣體型資本的典範代表，以吸附方法賦存于月壤顆粒中。作為氦的同位素，氦-3包括一個中子和兩個質子，可以或許在核聚變反映中天生宏大能量但不發生中子輻射。相較于其他核聚變資料，氦-3具有乾淨、高效、可控性強等長處，是將來可控核聚變的幻想燃料。同時，由于特別的超流性、穩固性、非輻射性等特征，氦-3還普遍用于核磁共振造影、超高溫制冷、中子探測器制造、核電站平安檢測、核爆及暗藏核資料探測等國防、航天航空、醫療和高溫物理等範疇。但是，地球上氦-3儲量極為稀缺，僅有500千克擺佈，這招致其價錢高達每千克600萬美元。
相較于地球上的珍稀性，月球上氦-3儲量極為豐盛。氦-3起源于太陽外部核聚變、并以高能粒子情勢經由過程太陽風向宇宙分散。月球沒有年夜氣層，其磁場缺乏地球的千分之一，使得太陽風可以或許直射月球概況并將氦-3注進月壤層。同時，月表溫度在月夜最低可達-180℃，極地永遠暗影區甚至可達-250℃。極高溫周遭的狀況有用增進了氦-3在月壤層中吸附，并禁止其脫擁護向太空逃逸，進而使得其在月表富集。後期經由過程光譜儀等手腕曾經探明，月球上氦-3的檔次約為30μg/g、全月氦-3換算儲量高達110萬噸，可作為乾淨核原料供地球應用約1萬年。嫦娥五號采樣前往后，中國迷信院在月壤顆粒非晶體玻璃質中初次發明了直徑5～25納米的氦氣泡，并包養網受此啟示提出了氦-3開采的新思緒。
鈦鐵礦：鈦鐵礦經由過程化學或物理手腕提煉后可取得鐵、鈦金屬和氧氣，為月球科研站扶植和航天員保存供給必須原料。同時，鈦鐵礦與氫氣經由過程化學反映（氫復原法）還可以天生水，是除了水冰開采外，處理月球用水需求的最重要道路。月海玄武巖富含鐵、鈦等元素，探測表白其鈦鐵礦含量最高可達30%，初估東西的品質約為1100萬億～2000萬億噸，是以後月球上開采需乞降潛力最年夜的礦物之一。中國迷信院地球化學研討所已經做過預算，只需在月海區域40厘米深度范圍內開采200立方米月壤，即可提煉10噸鈦鐵礦、天生1噸水。
此外，月球窪地斜長巖中富集硅、鋁、鈣等元素，對應氧化物含量分辨高達45%、34%和20%；克里普巖中含有大批鉀、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素儲量約為225億～450億噸、鈾儲量高達50億噸，均遠高于地球儲量。開采這些礦產資本除了可以或許供應月球基地扶植、日常運維和保證航天員保存外，還可以有用補足地球資本的缺乏。
月球采礦難度宏大，怎么做？
盡管月球上礦產資本儲量豐盛、開采潛力誘人，但其開采相較于地球采礦有宏大難度。月表重力僅為地球的1/6，真空度高達10-14Torr，白日溫度可達127℃、夜間低至-250℃。小重力、超真空和極端溫度周遭的狀況，招致月壤層浮現出特別的物理力學呼應和奇特的月壤—機構彼此感化，也對機械構造、資料機能提出了極高挑釁。此外，月表普遍分布概況銳利的超細粒月塵，極易吸附、磨蝕機械構造和激發航天員呼吸體系毀傷、神經炎癥。月表頻仍遭受隕石撞擊，速率高達每秒20千米；月核冷卻激發的“逆沖斷層”招致月震頻現，強度可達5級～6級，連續時光達1包養網0分鐘、均勻頻率約每年500次；月表宇宙輻射強度高達300mSv/a，是航天員答應蒙受值的6倍。
受月面極端周遭的狀況、地月運輸本錢等影響，月球采礦具有奇特的工程特征。起首，月球采礦必需從選址、計劃design、裝備研制、原位開采等環節兼顧斟酌小重力、超真空、極端溫度、隕石沖擊、月震、輻射等極端周遭的狀況的直接影響和潛伏要挾。其次，地月運輸本錢高達每千克50000美元～90000美元，從空中年夜範圍運輸動力、資料是不實際的，必需盡最年夜能夠原位應用月球資本，完成月面物質自給。最后，月球采礦必需完成無人化、智能化，開采裝備需一機多能、多機協同，盡能夠下降空中發射多少數字與本錢。
月表可開采資本均賦存于月壤/月巖地層中，月球采礦是典範的多資本共采題目。近年來，筆者團隊充足施展中國礦業年夜學在采礦範疇的技巧上風，針對國度月球基地扶植與礦物質源開采嚴重需求，兼顧斟酌月表極端周遭的狀況影響及月面工程特徵需求，構建了“月球基地—資本智能化協同建采”技巧系統。該技巧以“智能化協同建采”為基礎理念，依托多效能智能機械人，經由過程多機協同方法同步展開月球基地扶植與礦物開采，以最小的工藝價格和裝備投進，同步完成勘察評價、基地扶植與礦物開采三年夜工程義務，可到達多贏的工程後果。
以後世界列國月球采礦技巧系統和基本實際研討均處于起步階段，還有諸多災題亟待霸佔。與月球初探階段“輕型荷載、迷信探測”有所差別，月球采礦以“重型機具、工程建采”為主，浮現出開采機械自重更年夜、機—壤感化更明顯、月壤屈從損壞更復雜等特色。以後亟須展開科研攻關，體系獲取原位月表周遭的狀況下月壤/巖力學呼應。其次，月球采礦觸及場地加固、邊坡支護等題目，其焦點是月面建筑資料供給。月壤是月面儲量最年夜的潛伏建筑原資料，研發月面極端周遭的狀況下的月壤原位固化成型方式及支護技巧系統，可有用處理月面建筑資料困難。
此外，月球水冰資本及月壤/巖組分礦物的開采、分別與純化方式是以後月球采礦需求攻關的焦點困難。高緯度沖擊坑內永遠暗影區的霜凍層及下部月壤層中的水冰富集層是今朝月球上開采潛力最年夜的水冰資本。超真空和極端溫度周遭的狀況下，水冰浮現出明顯分歧于地表的賦存及逃逸特征，對此今朝已提出了“溫控貫進開采”等多種開采方式。月壤/巖組分礦物的原位分別純化是地質演變逆經過歷程，月表小重力、超真空和極端溫度周遭的狀況對資本的分別純化工藝的影響今朝也還不明白。
月球采礦技巧從試驗室走向工程利用前，必需顛末年夜範圍空中物理模子實驗和驗證，以確保其靠得住性。展開此類實驗需求處理兩個“洽商”困難——月表極端周遭的狀況空中模仿與年夜型月面工程構造“時空緊縮”。中國礦業年夜學深地工程智能建造與安康運維全國重點試驗室今朝已研制勝利兩套焦點重器，勝利處理了以上困難。第一套是“小重力場等深空周遭的狀況星壤工程物理模仿實驗體系”，該體系在國際上初次完成了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃溫度周遭的狀況的長時光、高精度模仿，構建了月表極端周遭的狀況空中模仿平臺。第二套是“400gt超重力離心模仿實驗體系”，該體系基于高速扭轉營建向心力場，為提醒原位開采呼應及災變經過歷程供給了靠得住平臺。
（作者：李瑞林，系中國礦業年夜學深地工程智能建造與安康運維全國重點試驗室副傳授）
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