近日，我國正式公布了(le)載人月球探測任務新飛(fēi)行器名稱，新一代載人飛(fēi)船(chuán)命名爲“夢舟”，月面着陸器命名爲“攬月”。我國的探月工(gōng)程計(jì)劃于2028年前後發射嫦娥八号，将構建國際月球科研站(zhàn)基本型，并開(kāi)展資源利用(yòng)試驗驗證。月球上(shàng)有豐富的金(jīn)屬、非金(jīn)屬及氣體資源，圍繞着探測、開(kāi)發月球資源，新一輪探月熱潮已經開(kāi)啓。
新一輪探月熱潮
礦物資源是指經過地質成礦作(zuò)用(yòng)形成于地下(xià)或露于地表、具有開(kāi)發利用(yòng)價值的礦物或元素集合體。礦物資源是人類社會(huì)發展的命脈，近年來(lái)，随着地球資源消耗加劇(jù)和(hé)部分資源逐漸耗竭，開(kāi)發利用(yòng)月球資源已成爲新的科技競争制高(gāo)點。
我國近日正式公布了(le)載人月球探測任務新飛(fēi)行器名稱，新一代載人飛(fēi)船(chuán)命名爲“夢舟”，月面着陸器命名爲“攬月”。與此同時(shí)，我國的探月工(gōng)程還有新消息，繼2020年12月17日嫦娥五号成功帶回1731克月球樣品後，我國于2022年正式啓動了(le)探月四期工(gōng)程——将于2024年發射嫦娥六号，實現(xiàn)月背采樣返回；計(jì)劃2026年前後發射嫦娥七号，開(kāi)展月球南極環境與資源勘查；計(jì)劃2028年前後發射嫦娥八号，構建國際月球科研站(zhàn)基本型，并開(kāi)展資源利用(yòng)試驗驗證。
國際上(shàng)，各大(dà)國也(yě)紛紛啓動月球探測開(kāi)發計(jì)劃，掀起了(le)新一輪探月熱潮。2017年，美(měi)國批準啓動了(le)阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，其目标是月球南極長期駐留和(hé)資源開(kāi)采，并以此爲踏闆進軍火星。截至2024年1月，該計(jì)劃已成功發射阿爾忒彌斯—I号，并完成了(le)阿爾忒彌斯—II任務4名宇航員的選拔。本輪任務中，美(měi)國國家航空(kōng)航天局采用(yòng)了(le)國際合作(zuò)及私營企業聯合開(kāi)展的新模式，目前澳大(dà)利亞、加拿大(dà)、意大(dà)利、日本、盧森堡、阿聯酋、英國等已相繼加入該計(jì)劃。2024年2月，美(měi)國國家航空(kōng)航天局與私營企業“直覺機器”公司研發的“奧德修斯”着陸器登陸月球，這(zhè)标志着自(zì)1972年以來(lái)美(měi)國航天器重返月球。
俄羅斯、歐盟、日本、印度、以色列等也(yě)宣布或啓動了(le)各自(zì)的探月計(jì)劃。2015年10月，時(shí)任歐洲航天局局長約翰－迪特裏希·韋爾納在第66屆國際宇航大(dà)會(huì)上(shàng)首次宣布其國際月球村計(jì)劃，并在此後迅速啓動了(le)以月壤爲基材的月面3D打印建造技術攻關。2023年，俄羅斯發射了(le)月球探測器“月亮(liàng)—25”，其目标是2035年左右在月球上(shàng)建立基地、開(kāi)發月球礦産資源。
根據聯合國《月球公約》規定，月球資源開(kāi)采遵循“先到(dào)先得”規則，目前月球開(kāi)發競争趨于白(bái)熱化。正如中國航天科技集團有限公司嫦娥五号探測器系統總指揮兼總設計(jì)師楊孟飛(fēi)院士所說，我國月球資源開(kāi)發利用(yòng)已日益緊迫、刻不容緩。
月球礦産資源豐富，采什(shén)麽？
月球上(shàng)蘊含豐富的金(jīn)屬、非金(jīn)屬及氣體資源。目前探測表明(míng)，月球資源可分爲水(shuǐ)冰型、氣體型、钛鐵(tiě)礦型、斜長岩型和(hé)磷酸鹽型5種。
水(shuǐ)冰：月球水(shuǐ)冰以結合水(shuǐ)和(hé)遊離水(shuǐ)兩種形态賦存。結合水(shuǐ)通過化學鍵賦存于全月月壤/岩礦物組分中，其含量僅爲120～180ppm，開(kāi)采難度大(dà)、潛力低(dī)。遊離水(shuǐ)富集于兩極永久陰影區(qū)月壤層，含量高(gāo)達10%，是水(shuǐ)冰資源開(kāi)采主要對(duì)象。月球極區(qū)可開(kāi)采水(shuǐ)冰賦存面積可達1850平方千米、估算(suàn)總儲量約爲3×109噸。開(kāi)采水(shuǐ)冰資源可有效解決科研站(zhàn)運行、航天員駐紮和(hé)生存用(yòng)水(shuǐ)需求，是月球科研站(zhàn)運行和(hé)長期駐人的前提條件。水(shuǐ)冰通過電解等手段二次加工(gōng)後還可制造氧氣和(hé)氫氣。月球上(shàng)沒有大(dà)氣層，氧氣是航天員月面駐紮和(hé)生存最基本條件之一。氫氣液化後可作(zuò)爲優質火箭燃料，有效解決月面運輸、地月往返及向火星等更遠星球飛(fēi)行的燃料需求。因此，中國國家航天局、美(měi)國國家航空(kōng)航天局、歐洲航天局、俄羅斯聯邦航天局等均将水(shuǐ)冰資源開(kāi)采列爲本輪探月優先任務。
月球水(shuǐ)冰來(lái)源于岩漿洋演化、彗星等撞擊帶入和(hé)太陽風(fēng)注入。就遊離水(shuǐ)冰而言，月表極端低(dī)溫、超高(gāo)真空(kōng)環境導緻其隻能(néng)以冰和(hé)水(shuǐ)汽兩種相态賦存。地質演化過程中，不同來(lái)源的水(shuǐ)冰通過冷阱捕獲、溫度梯度遷移、月壤層沉積、高(gāo)溫升華、低(dī)溫凝華等複雜(zá)作(zuò)用(yòng)，最後在月壤層特定深度富集形成水(shuǐ)冰資源層。開(kāi)采過程中，儲層中的水(shuǐ)冰受到(dào)溫度擾動極易升華相變，進而改變局部區(qū)域的真空(kōng)度；溫度和(hé)真空(kōng)度的變化亦會(huì)進一步影響水(shuǐ)冰相态轉化。同時(shí)，開(kāi)采過程導緻的月壤孔隙結構演化、局部溫度和(hé)真空(kōng)度變化導緻的溫壓梯度，均會(huì)誘使升華後的水(shuǐ)汽逃逸。當前世界各國均在積極研發月球水(shuǐ)冰資源開(kāi)采技術及裝備。
氦-3：氦-3是月球氣體型資源的典型代表，以吸附方式賦存于月壤顆粒中。作(zuò)爲氦的同位素，氦-3包含一個中子和(hé)兩個質子，能(néng)夠在核聚變反應中生成巨大(dà)能(néng)量但(dàn)不産生中子輻射。相較于其他(tā)核聚變材料，氦-3具有清潔、高(gāo)效、可控性強等優點，是未來(lái)可控核聚變的理(lǐ)想燃料。同時(shí)，由于特殊的超流性、穩定性、非輻射性等特征，氦-3還廣泛用(yòng)于核磁共振造影、超低(dī)溫制冷、中子探測器制造、核電站(zhàn)安全檢測、核爆及隐藏核材料探測等國防、航天航空(kōng)、醫(yī)療和(hé)低(dī)溫物理(lǐ)等領域。然而，地球上(shàng)氦-3儲量極爲稀缺，僅有500千克左右，這(zhè)導緻其價格高(gāo)達每千克600萬美(měi)元。
相較于地球上(shàng)的珍稀性，月球上(shàng)氦-3儲量極爲豐富。氦-3來(lái)源于太陽内部核聚變、并以高(gāo)能(néng)粒子形式通過太陽風(fēng)向宇宙擴散。月球沒有大(dà)氣層，其磁場不足地球的千分之一，使得太陽風(fēng)能(néng)夠直射月球表面并将氦-3注入月壤層。同時(shí)，月表溫度在月夜最低(dī)可達-180℃，極地永久陰影區(qū)甚至可達-250℃。極低(dī)溫環境有效促進了(le)氦-3在月壤層中吸附，并阻止其脫附和(hé)向太空(kōng)逃逸，進而使得其在月表富集。前期通過光譜儀等手段已經探明(míng)，月球上(shàng)氦-3的品位約爲30μg/g、全月氦-3換算(suàn)儲量高(gāo)達110萬噸，可作(zuò)爲清潔核原料供地球使用(yòng)約1萬年。嫦娥五号采樣返回後，中國科學院在月壤顆粒非晶體玻璃質中首次發現(xiàn)了(le)直徑5～25納米的氦氣泡，并受此啓發提出了(le)氦-3開(kāi)采的新思路。
钛鐵(tiě)礦：钛鐵(tiě)礦通過化學或物理(lǐ)手段提煉後可獲得鐵(tiě)、钛金(jīn)屬和(hé)氧氣，爲月球科研站(zhàn)建設和(hé)航天員生存提供必需原料。同時(shí)，钛鐵(tiě)礦與氫氣通過化學反應（氫還原法）還可以生成水(shuǐ)，是除了(le)水(shuǐ)冰開(kāi)采外(wài)，解決月球用(yòng)水(shuǐ)需求的最主要途徑。月海玄武岩富含鐵(tiě)、钛等元素，探測表明(míng)其钛鐵(tiě)礦含量最高(gāo)可達30%，初估質量約爲1100萬億～2000萬億噸，是當前月球上(shàng)開(kāi)采需求和(hé)潛力最大(dà)的礦物之一。中國科學院地球化學研究所曾經做過估算(suàn)，隻需在月海區(qū)域40厘米深度範圍内開(kāi)采200立方米月壤，即可提煉10噸钛鐵(tiě)礦、生成1噸水(shuǐ)。
此外(wài)，月球高(gāo)地斜長岩中富集矽、鋁、鈣等元素，對(duì)應氧化物含量分别高(gāo)達45%、34%和(hé)20%；克裏普岩中含有大(dà)量鉀、磷、稀土和(hé)放(fàng)射性元素，初估稀土元素儲量約爲225億～450億噸、鈾儲量高(gāo)達50億噸，均遠高(gāo)于地球儲量。開(kāi)采這(zhè)些(xiē)礦産資源除了(le)能(néng)夠供給月球基地建設、日常運維和(hé)保障航天員生存外(wài)，還可以有效補足地球資源的短缺。
月球采礦難度巨大(dà)，怎麽做？
盡管月球上(shàng)礦産資源儲量豐富、開(kāi)采潛力誘人，但(dàn)其開(kāi)采相較于地球采礦有巨大(dà)難度。月表重力僅爲地球的1/6，真空(kōng)度高(gāo)達10-14Torr，白(bái)天溫度可達127℃、夜間低(dī)至-250℃。小(xiǎo)重力、超真空(kōng)和(hé)極端溫度環境，導緻月壤層呈現(xiàn)出特殊的物理(lǐ)力學響應和(hé)獨特的月壤—機構相互作(zuò)用(yòng)，也(yě)對(duì)機械結構、材料性能(néng)提出了(le)極高(gāo)挑戰。此外(wài)，月表廣泛分布表面鋒利的超細粒月塵，極易吸附、磨蝕機械結構和(hé)引發航天員呼吸系統損傷、神經炎症。月表頻繁遭遇隕石撞擊，速度高(gāo)達每秒20千米；月核冷卻引發的“逆沖斷層”導緻月震頻現(xiàn)，強度可達5級～6級，持續時(shí)間達10分鐘(zhōng)、平均頻率約每年500次；月表宇宙輻射強度高(gāo)達300mSv/a，是航天員允許承受值的6倍。
受月面極端環境、地月運輸成本等影響，月球采礦具備獨特的工(gōng)程特征。首先，月球采礦必須從(cóng)選址、方案設計(jì)、設備研制、原位開(kāi)采等環節統籌考慮小(xiǎo)重力、超真空(kōng)、極端溫度、隕石沖擊、月震、輻射等極端環境的直接影響和(hé)潛在威脅。其次，地月運輸成本高(gāo)達每千克50000美(měi)元～90000美(měi)元，從(cóng)地面大(dà)規模運輸能(néng)源、材料是不現(xiàn)實的，必須盡最大(dà)可能(néng)原位利用(yòng)月球資源，實現(xiàn)月面物資自(zì)給。最後，月球采礦必須實現(xiàn)無人化、智能(néng)化，開(kāi)采設備需一機多能(néng)、多機協同，盡可能(néng)降低(dī)地面發射數量與成本。
月表可開(kāi)采資源均賦存于月壤/月岩地層中，月球采礦是典型的多資源共采問題。近年來(lái)，筆(bǐ)者團隊充分發揮中國礦業大(dà)學在采礦領域的技術優勢，針對(duì)國家月球基地建設與礦物資源開(kāi)采重大(dà)需求，統籌考慮月表極端環境影響及月面工(gōng)程特性需求，構建了(le)“月球基地—資源智能(néng)化協同建采”技術體系。該技術以“智能(néng)化協同建采”爲基本理(lǐ)念，依托多功能(néng)智能(néng)機器人，通過多機協同方式同步開(kāi)展月球基地建設與礦物開(kāi)采，以最小(xiǎo)的工(gōng)藝代價和(hé)設備投入，同步實現(xiàn)勘探評估、基地建設與礦物開(kāi)采三大(dà)工(gōng)程任務，可達到(dào)多赢的工(gōng)程效果。
當前世界各國月球采礦技術體系和(hé)基礎理(lǐ)論研究均處于起步階段，還有諸多難題亟待攻克。與月球初探階段“輕型荷載、科學探測”有所區(qū)别，月球采礦以“重型機具、工(gōng)程建采”爲主，呈現(xiàn)出開(kāi)采機器自(zì)重更大(dà)、機—壤作(zuò)用(yòng)更顯著、月壤屈服破壞更複雜(zá)等特點。當前亟須開(kāi)展科研攻關，系統獲取原位月表環境下(xià)月壤/岩力學響應。其次，月球采礦涉及場地加固、邊坡支護等問題，其核心是月面建築材料供應。月壤是月面儲量最大(dà)的潛在建築原材料，研發月面極端環境下(xià)的月壤原位固化成型方法及支護技術體系，可有效解決月面建築材料難題。
此外(wài)，月球水(shuǐ)冰資源及月壤/岩組分礦物的開(kāi)采、分離與純化方法是當前月球采礦需要攻關的核心難題。高(gāo)緯度沖擊坑内永久陰影區(qū)的霜凍層及下(xià)部月壤層中的水(shuǐ)冰富集層是目前月球上(shàng)開(kāi)采潛力最大(dà)的水(shuǐ)冰資源。超真空(kōng)和(hé)極端溫度環境下(xià)，水(shuǐ)冰呈現(xiàn)出顯著不同于地表的賦存及逃逸特征，對(duì)此目前已提出了(le)“溫控貫入開(kāi)采”等多種開(kāi)采方法。月壤/岩組分礦物的原位分離純化是地質演化逆過程，月表小(xiǎo)重力、超真空(kōng)和(hé)極端溫度環境對(duì)資源的分離純化工(gōng)藝的影響目前也(yě)還不明(míng)确。
月球采礦技術從(cóng)實驗室走向工(gōng)程應用(yòng)前，必須經過大(dà)規模地面物理(lǐ)模型試驗和(hé)驗證，以确保其可靠性。開(kāi)展此類試驗需要解決兩個“卡脖子”難題——月表極端環境地面模拟與大(dà)型月面工(gōng)程結構“時(shí)空(kōng)壓縮”。中國礦業大(dà)學深地工(gōng)程智能(néng)建造與健康運維全國重點實驗室目前已研制成功兩套核心重器，成功解決了(le)以上(shàng)難題。第一套是“小(xiǎo)重力場等深空(kōng)環境星壤工(gōng)程物理(lǐ)模拟試驗系統”，該系統在國際上(shàng)首次實現(xiàn)了(le)1/6g重力、10-8Torr真空(kōng)、-180～180℃溫度環境的長時(shí)間、高(gāo)精度模拟，構建了(le)月表極端環境地面模拟平台。第二套是“400gt超重力離心模拟試驗系統”，該系統基于高(gāo)速旋轉營造離心力場，爲揭示原位開(kāi)采響應及災變過程提供了(le)可靠平台。
來(lái)源：光明(míng)日報(bào)
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