近日，我國(guó)正式公布了載人月球探測(cè)任務(wù)新飛行器名稱(chēng)，新一代載人飛船命名為“夢(mèng)舟”，月面著陸器命名為“攬?jiān)隆薄Ｎ覈?guó)的探月工程計(jì)劃于2028年前后發(fā)射嫦娥八號(hào)，將構(gòu)建國(guó)際月球科研站基本型，并開(kāi)展資源利用試驗(yàn)驗(yàn)證。月球上有豐富的金屬、非金屬及氣體資源，圍繞著探測(cè)、開(kāi)發(fā)月球資源，新一輪探月熱潮已經(jīng)開(kāi)啟。
新一輪探月熱潮
礦物資源是指經(jīng)過(guò)地質(zhì)成礦作用形成于地下或露于地表、具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的礦物或元素集合體。礦物資源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的命脈，近年來(lái)，隨著地球資源消耗加劇和部分資源逐漸耗竭，開(kāi)發(fā)利用月球資源已成為新的科技競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。
我國(guó)近日正式公布了載人月球探測(cè)任務(wù)新飛行器名稱(chēng)，新一代載人飛船命名為“夢(mèng)舟”，月面著陸器命名為“攬?jiān)隆薄Ｅc此同時(shí)，我國(guó)的探月工程還有新消息，繼2020年12月17日嫦娥五號(hào)成功帶回1731克月球樣品后，我國(guó)于2022年正式啟動(dòng)了探月四期工程——將于2024年發(fā)射嫦娥六號(hào)，實(shí)現(xiàn)月背采樣返回；計(jì)劃2026年前后發(fā)射嫦娥七號(hào)，開(kāi)展月球南極環(huán)境與資源勘查；計(jì)劃2028年前后發(fā)射嫦娥八號(hào)，構(gòu)建國(guó)際月球科研站基本型，并開(kāi)展資源利用試驗(yàn)驗(yàn)證。
國(guó)際上，各大國(guó)也紛紛啟動(dòng)月球探測(cè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，掀起了新一輪探月熱潮。2017年，美國(guó)批準(zhǔn)啟動(dòng)了阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，其目標(biāo)是月球南極長(zhǎng)期駐留和資源開(kāi)采，并以此為踏板進(jìn)軍火星。截至2024年1月，該計(jì)劃已成功發(fā)射阿爾忒彌斯—I號(hào)，并完成了阿爾忒彌斯—II任務(wù)4名宇航員的選拔。本輪任務(wù)中，美國(guó)國(guó)家航空航天局采用了國(guó)際合作及私營(yíng)企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展的新模式，目前澳大利亞、加拿大、意大利、日本、盧森堡、阿聯(lián)酋、英國(guó)等已相繼加入該計(jì)劃。2024年2月，美國(guó)國(guó)家航空航天局與私營(yíng)企業(yè)“直覺(jué)機(jī)器”公司研發(fā)的“奧德修斯”著陸器登陸月球，這標(biāo)志著自1972年以來(lái)美國(guó)航天器重返月球。
俄羅斯、歐盟、日本、印度、以色列等也宣布或啟動(dòng)了各自的探月計(jì)劃。2015年10月，時(shí)任歐洲航天局局長(zhǎng)約翰－迪特里希·韋爾納在第66屆國(guó)際宇航大會(huì)上首次宣布其國(guó)際月球村計(jì)劃，并在此后迅速啟動(dòng)了以月壤為基材的月面3D打印建造技術(shù)攻關(guān)。2023年，俄羅斯發(fā)射了月球探測(cè)器“月亮—25”，其目標(biāo)是2035年左右在月球上建立基地、開(kāi)發(fā)月球礦產(chǎn)資源。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)《月球公約》規(guī)定，月球資源開(kāi)采遵循“先到先得”規(guī)則，目前月球開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化。正如中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計(jì)師楊孟飛院士所說(shuō)，我國(guó)月球資源開(kāi)發(fā)利用已日益緊迫、刻不容緩。
月球礦產(chǎn)資源豐富，采什么？
月球上蘊(yùn)含豐富的金屬、非金屬及氣體資源。目前探測(cè)表明，月球資源可分為水冰型、氣體型、鈦鐵礦型、斜長(zhǎng)巖型和磷酸鹽型5種。
（制圖：郭藝偉）
水冰：月球水冰以結(jié)合水和游離水兩種形態(tài)賦存。結(jié)合水通過(guò)化學(xué)鍵賦存于全月月壤/巖礦物組分中，其含量?jī)H為120～180ppm，開(kāi)采難度大、潛力低。游離水富集于兩極永久陰影區(qū)月壤層，含量高達(dá)10%，是水冰資源開(kāi)采主要對(duì)象。月球極區(qū)可開(kāi)采水冰賦存面積可達(dá)1850平方千米、估算總儲(chǔ)量約為3×109噸。開(kāi)采水冰資源可有效解決科研站運(yùn)行、航天員駐扎和生存用水需求，是月球科研站運(yùn)行和長(zhǎng)期駐人的前提條件。水冰通過(guò)電解等手段二次加工后還可制造氧氣和氫氣。月球上沒(méi)有大氣層，氧氣是航天員月面駐扎和生存最基本條件之一。氫氣液化后可作為優(yōu)質(zhì)火箭燃料，有效解決月面運(yùn)輸、地月往返及向火星等更遠(yuǎn)星球飛行的燃料需求。因此，中國(guó)國(guó)家航天局、美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局等均將水冰資源開(kāi)采列為本輪探月優(yōu)先任務(wù)。
月球水冰來(lái)源于巖漿洋演化、彗星等撞擊帶入和太陽(yáng)風(fēng)注入。就游離水冰而言，月表極端低溫、超高真空環(huán)境導(dǎo)致其只能以冰和水汽兩種相態(tài)賦存。地質(zhì)演化過(guò)程中，不同來(lái)源的水冰通過(guò)冷阱捕獲、溫度梯度遷移、月壤層沉積、高溫升華、低溫凝華等復(fù)雜作用，最后在月壤層特定深度富集形成水冰資源層。開(kāi)采過(guò)程中，儲(chǔ)層中的水冰受到溫度擾動(dòng)極易升華相變，進(jìn)而改變局部區(qū)域的真空度；溫度和真空度的變化亦會(huì)進(jìn)一步影響水冰相態(tài)轉(zhuǎn)化。同時(shí)，開(kāi)采過(guò)程導(dǎo)致的月壤孔隙結(jié)構(gòu)演化、局部溫度和真空度變化導(dǎo)致的溫壓梯度，均會(huì)誘使升華后的水汽逃逸。當(dāng)前世界各國(guó)均在積極研發(fā)月球水冰資源開(kāi)采技術(shù)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。作為氦的同位素，氦-3包含一個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子，能夠在核聚變反應(yīng)中生成巨大能量但不產(chǎn)生中子輻射。相較于其他核聚變材料，氦-3具有清潔、高效、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)可控核聚變的理想燃料。同時(shí)，由于特殊的超流性、穩(wěn)定性、非輻射性等特征，氦-3還廣泛用于核磁共振造影、超低溫制冷、中子探測(cè)器制造、核電站安全檢測(cè)、核爆及隱藏核材料探測(cè)等國(guó)防、航天航空、醫(yī)療和低溫物理等領(lǐng)域。然而，地球上氦-3儲(chǔ)量極為稀缺，僅有500千克左右，這導(dǎo)致其價(jià)格高達(dá)每千克600萬(wàn)美元。
相較于地球上的珍稀性，月球上氦-3儲(chǔ)量極為豐富。氦-3來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部核聚變、并以高能粒子形式通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)向宇宙擴(kuò)散。月球沒(méi)有大氣層，其磁場(chǎng)不足地球的千分之一，使得太陽(yáng)風(fēng)能夠直射月球表面并將氦-3注入月壤層。同時(shí)，月表溫度在月夜最低可達(dá)-180℃，極地永久陰影區(qū)甚至可達(dá)-250℃。極低溫環(huán)境有效促進(jìn)了氦-3在月壤層中吸附，并阻止其脫附和向太空逃逸，進(jìn)而使得其在月表富集。前期通過(guò)光譜儀等手段已經(jīng)探明，月球上氦-3的品位約為30μg/g、全月氦-3換算儲(chǔ)量高達(dá)110萬(wàn)噸，可作為清潔核原料供地球使用約1萬(wàn)年。嫦娥五號(hào)采樣返回后，中國(guó)科學(xué)院在月壤顆粒非晶體玻璃質(zhì)中首次發(fā)現(xiàn)了直徑5～25納米的氦氣泡，并受此啟發(fā)提出了氦-3開(kāi)采的新思路。
鈦鐵礦：鈦鐵礦通過(guò)化學(xué)或物理手段提煉后可獲得鐵、鈦金屬和氧氣，為月球科研站建設(shè)和航天員生存提供必需原料。同時(shí)，鈦鐵礦與氫氣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)（氫還原法）還可以生成水，是除了水冰開(kāi)采外，解決月球用水需求的最主要途徑。月海玄武巖富含鐵、鈦等元素，探測(cè)表明其鈦鐵礦含量最高可達(dá)30%，初估質(zhì)量約為1100萬(wàn)億～2000萬(wàn)億噸，是當(dāng)前月球上開(kāi)采需求和潛力最大的礦物之一。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所曾經(jīng)做過(guò)估算，只需在月海區(qū)域40厘米深度范圍內(nèi)開(kāi)采200立方米月壤，即可提煉10噸鈦鐵礦、生成1噸水。
此外，月球高地斜長(zhǎng)巖中富集硅、鋁、鈣等元素，對(duì)應(yīng)氧化物含量分別高達(dá)45%、34%和20%；克里普巖中含有大量鉀、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素儲(chǔ)量約為225億～450億噸、鈾儲(chǔ)量高達(dá)50億噸，均遠(yuǎn)高于地球儲(chǔ)量。開(kāi)采這些礦產(chǎn)資源除了能夠供給月球基地建設(shè)、日常運(yùn)維和保障航天員生存外，還可以有效補(bǔ)足地球資源的短缺。
月球采礦難度巨大，怎么做？
盡管月球上礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富、開(kāi)采潛力誘人，但其開(kāi)采相較于地球采礦有巨大難度。月表重力僅為地球的1/6，真空度高達(dá)10-14Torr，白天溫度可達(dá)127℃、夜間低至-250℃。小重力、超真空和極端溫度環(huán)境，導(dǎo)致月壤層呈現(xiàn)出特殊的物理力學(xué)響應(yīng)和獨(dú)特的月壤—機(jī)構(gòu)相互作用，也對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料性能提出了極高挑戰(zhàn)。此外，月表廣泛分布表面鋒利的超細(xì)粒月塵，極易吸附、磨蝕機(jī)械結(jié)構(gòu)和引發(fā)航天員呼吸系統(tǒng)損傷、神經(jīng)炎癥。月表頻繁遭遇隕石撞擊，速度高達(dá)每秒20千米；月核冷卻引發(fā)的“逆沖斷層”導(dǎo)致月震頻現(xiàn)，強(qiáng)度可達(dá)5級(jí)～6級(jí)，持續(xù)時(shí)間達(dá)10分鐘、平均頻率約每年500次；月表宇宙輻射強(qiáng)度高達(dá)300mSv/a，是航天員允許承受值的6倍。
受月面極端環(huán)境、地月運(yùn)輸成本等影響，月球采礦具備獨(dú)特的工程特征。首先，月球采礦必須從選址、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備研制、原位開(kāi)采等環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮小重力、超真空、極端溫度、隕石沖擊、月震、輻射等極端環(huán)境的直接影響和潛在威脅。其次，地月運(yùn)輸成本高達(dá)每千克50000美元～90000美元，從地面大規(guī)模運(yùn)輸能源、材料是不現(xiàn)實(shí)的，必須盡最大可能原位利用月球資源，實(shí)現(xiàn)月面物資自給。最后，月球采礦必須實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、智能化，開(kāi)采設(shè)備需一機(jī)多能、多機(jī)協(xié)同，盡可能降低地面發(fā)射數(shù)量與成本。
月表可開(kāi)采資源均賦存于月壤/月巖地層中，月球采礦是典型的多資源共采問(wèn)題。近年來(lái)，筆者團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在采礦領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)國(guó)家月球基地建設(shè)與礦物資源開(kāi)采重大需求，統(tǒng)籌考慮月表極端環(huán)境影響及月面工程特性需求，構(gòu)建了“月球基地—資源智能化協(xié)同建采”技術(shù)體系。該技術(shù)以“智能化協(xié)同建采”為基本理念，依托多功能智能機(jī)器人，通過(guò)多機(jī)協(xié)同方式同步開(kāi)展月球基地建設(shè)與礦物開(kāi)采，以最小的工藝代價(jià)和設(shè)備投入，同步實(shí)現(xiàn)勘探評(píng)估、基地建設(shè)與礦物開(kāi)采三大工程任務(wù)，可達(dá)到多贏的工程效果。
當(dāng)前世界各國(guó)月球采礦技術(shù)體系和基礎(chǔ)理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(xué)探測(cè)”有所區(qū)別，月球采礦以“重型機(jī)具、工程建采”為主，呈現(xiàn)出開(kāi)采機(jī)器自重更大、機(jī)—壤作用更顯著、月壤屈服破壞更復(fù)雜等特點(diǎn)。當(dāng)前亟須開(kāi)展科研攻關(guān)，系統(tǒng)獲取原位月表環(huán)境下月壤/巖力學(xué)響應(yīng)。其次，月球采礦涉及場(chǎng)地加固、邊坡支護(hù)等問(wèn)題，其核心是月面建筑材料供應(yīng)。月壤是月面儲(chǔ)量最大的潛在建筑原材料，研發(fā)月面極端環(huán)境下的月壤原位固化成型方法及支護(hù)技術(shù)體系，可有效解決月面建筑材料難題。
此外，月球水冰資源及月壤/巖組分礦物的開(kāi)采、分離與純化方法是當(dāng)前月球采礦需要攻關(guān)的核心難題。高緯度沖擊坑內(nèi)永久陰影區(qū)的霜凍層及下部月壤層中的水冰富集層是目前月球上開(kāi)采潛力最大的水冰資源。超真空和極端溫度環(huán)境下，水冰呈現(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“溫控貫入開(kāi)采”等多種開(kāi)采方法。月壤/巖組分礦物的原位分離純化是地質(zhì)演化逆過(guò)程，月表小重力、超真空和極端溫度環(huán)境對(duì)資源的分離純化工藝的影響目前也還不明確。
月球采礦技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用前，必須經(jīng)過(guò)大規(guī)模地面物理模型試驗(yàn)和驗(yàn)證，以確保其可靠性。開(kāi)展此類(lèi)試驗(yàn)需要解決兩個(gè)“卡脖子”難題——月表極端環(huán)境地面模擬與大型月面工程結(jié)構(gòu)“時(shí)空壓縮”。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目前已研制成功兩套核心重器，成功解決了以上難題。第一套是“小重力場(chǎng)等深空環(huán)境星壤工程物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃溫度環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間、高精度模擬，構(gòu)建了月表極端環(huán)境地面模擬平臺(tái)。第二套是“400gt超重力離心模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)基于高速旋轉(zhuǎn)營(yíng)造離心力場(chǎng)，為揭示原位開(kāi)采響應(yīng)及災(zāi)變過(guò)程提供了可靠平臺(tái)。
