近日，我國(guó)正式公布了载人月球探测任務(wù)新(xīn)飞行器名称，新(xīn)一代载人飞船命名為(wèi)“梦舟”，月面着陆器命名為(wèi)“揽月”。我國(guó)的探月工程计划于2028年前后发射嫦娥八号，将构建國(guó)际月球科(kē)研站基本型，并开展资源利用(yòng)试验验证。月球上有(yǒu)丰富的金属、非金属及气體(tǐ)资源，围绕着探测、开发月球资源，新(xīn)一轮探月热潮已经开启。
新(xīn)一轮探月热潮
矿物(wù)资源是指经过地质成矿作用(yòng)形成于地下或露于地表、具有(yǒu)开发利用(yòng)价值的矿物(wù)或元素集合體(tǐ)。矿物(wù)资源是人类社会发展的命脉，近年来，随着地球资源消耗加剧和部分(fēn)资源逐渐耗竭，开发利用(yòng)月球资源已成為(wèi)新(xīn)的科(kē)技竞争制高点。
我國(guó)近日正式公布了载人月球探测任務(wù)新(xīn)飞行器名称，新(xīn)一代载人飞船命名為(wèi)“梦舟”，月面着陆器命名為(wèi)“揽月”。与此同时，我國(guó)的探月工程还有(yǒu)新(xīn)消息，继2020年12月17日嫦娥五号成功带回1731克月球样品后，我國(guó)于2022年正式启动了探月四期工程——将于2024年发射嫦娥六号，实现月背采样返回；计划2026年前后发射嫦娥七号，开展月球南极环境与资源勘查；计划2028年前后发射嫦娥八号，构建國(guó)际月球科(kē)研站基本型，并开展资源利用(yòng)试验验证。
國(guó)际上，各大國(guó)也纷纷启动月球探测开发计划，掀起了新(xīn)一轮探月热潮。2017年，美國(guó)批准启动了阿尔忒弥斯（Artemis）计划，其目标是月球南极長(cháng)期驻留和资源开采，并以此為(wèi)踏板进军火星。截至2024年1月，该计划已成功发射阿尔忒弥斯—I号，并完成了阿尔忒弥斯—II任務(wù)4名宇航员的选拔。本轮任務(wù)中，美國(guó)國(guó)家航空航天局采用(yòng)了國(guó)际合作及私营企业联合开展的新(xīn)模式，目前澳大利亚、加拿(ná)大、意大利、日本、卢森堡、阿联酋、英國(guó)等已相继加入该计划。2024年2月，美國(guó)國(guó)家航空航天局与私营企业“直觉机器”公司研发的“奥德修斯”着陆器登陆月球，这标志(zhì)着自1972年以来美國(guó)航天器重返月球。
俄罗斯、欧盟、日本、印度、以色列等也宣布或启动了各自的探月计划。2015年10月，时任欧洲航天局局長(cháng)约翰－迪特里希·韦尔纳在第66届國(guó)际宇航大会上首次宣布其國(guó)际月球村计划，并在此后迅速启动了以月壤為(wèi)基材的月面3D打印建造技术攻关。2023年，俄罗斯发射了月球探测器“月亮—25”，其目标是2035年左右在月球上建立基地、开发月球矿产资源。
根据联合國(guó)《月球公约》规定，月球资源开采遵循“先到先得”规则，目前月球开发竞争趋于白热化。正如中國(guó)航天科(kē)技集团有(yǒu)限公司嫦娥五号探测器系统总指挥兼总设计师杨孟飞院士所说，我國(guó)月球资源开发利用(yòng)已日益紧迫、刻不容缓。
月球矿产资源丰富，采什么？
月球上蕴含丰富的金属、非金属及气體(tǐ)资源。目前探测表明，月球资源可(kě)分(fēn)為(wèi)水冰型、气體(tǐ)型、钛铁矿型、斜長(cháng)岩型和磷酸盐型5种。
水冰：月球水冰以结合水和游离水两种形态赋存。结合水通过化學(xué)键赋存于全月月壤/岩矿物(wù)组分(fēn)中，其含量仅為(wèi)120～180ppm，开采难度大、潜力低。游离水富集于两极永久阴影區(qū)月壤层，含量高达10%，是水冰资源开采主要对象。月球极區(qū)可(kě)开采水冰赋存面积可(kě)达1850平方千米、估算总储量约為(wèi)3×109吨。开采水冰资源可(kě)有(yǒu)效解决科(kē)研站运行、航天员驻扎和生存用(yòng)水需求，是月球科(kē)研站运行和長(cháng)期驻人的前提条件。水冰通过電(diàn)解等手段二次加工后还可(kě)制造氧气和氢气。月球上没有(yǒu)大气层，氧气是航天员月面驻扎和生存最基本条件之一。氢气液化后可(kě)作為(wèi)优质火箭燃料，有(yǒu)效解决月面运输、地月往返及向火星等更遠(yuǎn)星球飞行的燃料需求。因此，中國(guó)國(guó)家航天局、美國(guó)國(guó)家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局等均将水冰资源开采列為(wèi)本轮探月优先任務(wù)。
月球水冰来源于岩浆洋演化、彗星等撞击带入和太阳风注入。就游离水冰而言，月表极端低温、超高真空环境导致其只能(néng)以冰和水汽两种相态赋存。地质演化过程中，不同来源的水冰通过冷阱捕获、温度梯度迁移、月壤层沉积、高温升华、低温凝华等复杂作用(yòng)，最后在月壤层特定深度富集形成水冰资源层。开采过程中，储层中的水冰受到温度扰动极易升华相变，进而改变局部區(qū)域的真空度；温度和真空度的变化亦会进一步影响水冰相态转化。同时，开采过程导致的月壤孔隙结构演化、局部温度和真空度变化导致的温压梯度，均会诱使升华后的水汽逃逸。当前世界各國(guó)均在积极研发月球水冰资源开采技术及装备。
氦-3：氦-3是月球气體(tǐ)型资源的典型代表，以吸附方式赋存于月壤颗粒中。作為(wèi)氦的同位素，氦-3包含一个中子和两个质子，能(néng)够在核聚变反应中生成巨大能(néng)量但不产生中子辐射。相较于其他(tā)核聚变材料，氦-3具有(yǒu)清洁、高效、可(kě)控性强等优点，是未来可(kě)控核聚变的理(lǐ)想燃料。同时，由于特殊的超流性、稳定性、非辐射性等特征，氦-3还广泛用(yòng)于核磁共振造影、超低温制冷、中子探测器制造、核電(diàn)站安全检测、核爆及隐藏核材料探测等國(guó)防、航天航空、医疗和低温物(wù)理(lǐ)等领域。然而，地球上氦-3储量极為(wèi)稀缺，仅有(yǒu)500千克左右，这导致其价格高达每千克600万美元。
相较于地球上的珍稀性，月球上氦-3储量极為(wèi)丰富。氦-3来源于太阳内部核聚变、并以高能(néng)粒子形式通过太阳风向宇宙扩散。月球没有(yǒu)大气层，其磁场不足地球的千分(fēn)之一，使得太阳风能(néng)够直射月球表面并将氦-3注入月壤层。同时，月表温度在月夜最低可(kě)达-180℃，极地永久阴影區(qū)甚至可(kě)达-250℃。极低温环境有(yǒu)效促进了氦-3在月壤层中吸附，并阻止其脱附和向太空逃逸，进而使得其在月表富集。前期通过光谱仪等手段已经探明，月球上氦-3的品位约為(wèi)30μg/g、全月氦-3换算储量高达110万吨，可(kě)作為(wèi)清洁核原料供地球使用(yòng)约1万年。嫦娥五号采样返回后，中國(guó)科(kē)學(xué)院在月壤颗粒非晶體(tǐ)玻璃质中首次发现了直径5～25纳米的氦气泡，并受此启发提出了氦-3开采的新(xīn)思路。
钛铁矿：钛铁矿通过化學(xué)或物(wù)理(lǐ)手段提炼后可(kě)获得铁、钛金属和氧气，為(wèi)月球科(kē)研站建设和航天员生存提供必需原料。同时，钛铁矿与氢气通过化學(xué)反应（氢还原法）还可(kě)以生成水，是除了水冰开采外，解决月球用(yòng)水需求的最主要途径。月海玄武岩富含铁、钛等元素，探测表明其钛铁矿含量最高可(kě)达30%，初估质量约為(wèi)1100万亿～2000万亿吨，是当前月球上开采需求和潜力最大的矿物(wù)之一。中國(guó)科(kē)學(xué)院地球化學(xué)研究所曾经做过估算，只需在月海區(qū)域40厘米深度范围内开采200立方米月壤，即可(kě)提炼10吨钛铁矿、生成1吨水。
此外，月球高地斜長(cháng)岩中富集硅、铝、钙等元素，对应氧化物(wù)含量分(fēn)别高达45%、34%和20%；克里普岩中含有(yǒu)大量钾、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素储量约為(wèi)225亿～450亿吨、铀储量高达50亿吨，均遠(yuǎn)高于地球储量。开采这些矿产资源除了能(néng)够供给月球基地建设、日常运维和保障航天员生存外，还可(kě)以有(yǒu)效补足地球资源的短缺。
月球采矿难度巨大，怎么做？
尽管月球上矿产资源储量丰富、开采潜力诱人，但其开采相较于地球采矿有(yǒu)巨大难度。月表重力仅為(wèi)地球的1/6，真空度高达10-14Torr，白天温度可(kě)达127℃、夜间低至-250℃。小(xiǎo)重力、超真空和极端温度环境，导致月壤层呈现出特殊的物(wù)理(lǐ)力學(xué)响应和独特的月壤—机构相互作用(yòng)，也对机械结构、材料性能(néng)提出了极高挑战。此外，月表广泛分(fēn)布表面锋利的超细粒月尘，极易吸附、磨蚀机械结构和引发航天员呼吸系统损伤、神经炎症。月表频繁遭遇陨石撞击，速度高达每秒(miǎo)20千米；月核冷却引发的“逆冲断层”导致月震频现，强度可(kě)达5级～6级，持续时间达10分(fēn)钟、平均频率约每年500次；月表宇宙辐射强度高达300mSv/a，是航天员允许承受值的6倍。
受月面极端环境、地月运输成本等影响，月球采矿具备独特的工程特征。首先，月球采矿必须从选址、方案设计、设备研制、原位开采等环节统筹考虑小(xiǎo)重力、超真空、极端温度、陨石冲击、月震、辐射等极端环境的直接影响和潜在威胁。其次，地月运输成本高达每千克50000美元～90000美元，从地面大规模运输能(néng)源、材料是不现实的，必须尽最大可(kě)能(néng)原位利用(yòng)月球资源，实现月面物(wù)资自给。最后，月球采矿必须实现无人化、智能(néng)化，开采设备需一机多(duō)能(néng)、多(duō)机协同，尽可(kě)能(néng)降低地面发射数量与成本。
月表可(kě)开采资源均赋存于月壤/月岩地层中，月球采矿是典型的多(duō)资源共采问题。近年来，筆(bǐ)者团队充分(fēn)发挥中國(guó)矿业大學(xué)在采矿领域的技术优势，针对國(guó)家月球基地建设与矿物(wù)资源开采重大需求，统筹考虑月表极端环境影响及月面工程特性需求，构建了“月球基地—资源智能(néng)化协同建采”技术體(tǐ)系。该技术以“智能(néng)化协同建采”為(wèi)基本理(lǐ)念，依托多(duō)功能(néng)智能(néng)机器人，通过多(duō)机协同方式同步开展月球基地建设与矿物(wù)开采，以最小(xiǎo)的工艺代价和设备投入，同步实现勘探评估、基地建设与矿物(wù)开采三大工程任務(wù)，可(kě)达到多(duō)赢的工程效果。
当前世界各國(guó)月球采矿技术體(tǐ)系和基础理(lǐ)论研究均处于起步阶段，还有(yǒu)诸多(duō)难题亟待攻克。与月球初探阶段“轻型荷载、科(kē)學(xué)探测”有(yǒu)所區(qū)别，月球采矿以“重型机具、工程建采”為(wèi)主，呈现出开采机器自重更大、机—壤作用(yòng)更显著、月壤屈服破坏更复杂等特点。当前亟须开展科(kē)研攻关，系统获取原位月表环境下月壤/岩力學(xué)响应。其次，月球采矿涉及场地加固、边坡支护等问题，其核心是月面建筑材料供应。月壤是月面储量最大的潜在建筑原材料，研发月面极端环境下的月壤原位固化成型方法及支护技术體(tǐ)系，可(kě)有(yǒu)效解决月面建筑材料难题。
此外，月球水冰资源及月壤/岩组分(fēn)矿物(wù)的开采、分(fēn)离与纯化方法是当前月球采矿需要攻关的核心难题。高纬度冲击坑内永久阴影區(qū)的霜冻层及下部月壤层中的水冰富集层是目前月球上开采潜力最大的水冰资源。超真空和极端温度环境下，水冰呈现出显著不同于地表的赋存及逃逸特征，对此目前已提出了“温控贯入开采”等多(duō)种开采方法。月壤/岩组分(fēn)矿物(wù)的原位分(fēn)离纯化是地质演化逆过程，月表小(xiǎo)重力、超真空和极端温度环境对资源的分(fēn)离纯化工艺的影响目前也还不明确。
月球采矿技术从实验室走向工程应用(yòng)前，必须经过大规模地面物(wù)理(lǐ)模型试验和验证，以确保其可(kě)靠性。开展此类试验需要解决两个“卡脖子”难题——月表极端环境地面模拟与大型月面工程结构“时空压缩”。中國(guó)矿业大學(xué)深地工程智能(néng)建造与健康运维全國(guó)重点实验室目前已研制成功两套核心重器，成功解决了以上难题。第一套是“小(xiǎo)重力场等深空环境星壤工程物(wù)理(lǐ)模拟试验系统”，该系统在國(guó)际上首次实现了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃温度环境的長(cháng)时间、高精度模拟，构建了月表极端环境地面模拟平台。第二套是“400gt超重力离心模拟试验系统”，该系统基于高速旋转营造离心力场，為(wèi)揭示原位开采响应及灾变过程提供了可(kě)靠平台。
来源：光明日报
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