月壤原位利用工程技術發展淺析

王志浩，劉宇明，田東波，馬子良，于 強

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

0 引言

原位資源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）是指利用原位資源（包括天然的和遺棄資源）的硬件裝置或實施的操作過程，其目的是為無人或載人探測制造產品和提供服務[1]。在ISRU 體系當中，對顆粒物質的利用占據重要地位。本文針對月壤ISRU，就國內外研究現狀、任務、技術路線及近期發展方案等方面展開論述。

月壤中幾乎包含了所有深空探測、生命保障所需的元素，其中氧、硅、鐵、鈣、鋁和鎂元素含量較高，其質量分數分別為42%、21%、13%、8%、7%、6%[2]。歷次月球采樣的部分礦物質成分基本相同，隨采樣地域略有差別[3]，其穩定的礦物組成是實施月壤原位利用的化學基礎。發展月壤ISRU 工程技術是空間化學工業和冶金工業的基石，也是支撐未來自給式空間探測及資源利用的物質保證；月壤顆粒物質易于獲取，粉末狀的形態易于加工和處理，具有廣闊的材料制備和基礎設施建設方面的應用前景；月壤原位利用技術是長期運行月球基地建設的重要基石，是未來國家間星際資源劃分的重要依據，也是未來人類實現星際移民的起點。

隨著我國探月工程“繞、落、回”分階段逐步實施，后續探月工程任務的規劃和設想也逐漸提上日程[4-10]，均涉及月壤的原位利用問題。文獻[11]歸納和介紹了月球基地的建筑材料和制氧方法，文獻[12]給出了制氧方法的建議，但是國內相關研究機構對于月壤ISRU 工程技術的分析論述不夠充分。

本文擬重點分析NASA 在ISRU 領域的工程技術發展現狀，結合月壤ISRU 任務設想，提出階段化月壤ISRU 工程技術發展構想。

1 發展現狀及趨勢

截至目前，NASA 在月球ISRU 技術領域取得了顯著的成果，已實施多次外場模擬試驗[13-14]。其中重點實施了極冰/揮發物資源特性探測、月壤制氧、基礎建設相關、配套工程以及原位制造等項目。

極冰及揮發物資源特性探測方面，于2005年開展了土壤環境科學、氧及月球揮發物提取（RESOLVE）項目，鉆取月壤樣品，檢測是否含水，測量和評估可能的氣體揮發物并制取氧氣[15-16]。目前RESOLVE 已完成了多次鉆探、揮發物探測以及制氧操作[17-20]。

月壤制氧方面，NASA 重點開展了氫還原法、碳熱還原法、熔鹽電解法及真空熱解法方面的研究。分別研制了PILOT及ROxygen 兩套氫還原樣機，用于攪拌、加熱和還原月壤[21-22]，其外場模擬試驗（如圖1和圖2所示）顯示氧提取效率約為1%～2%[23]。NASA 委托Orbitec公司研制了一套碳熱還原系統（如圖3所示），使用光纖將匯聚光引入反應器中[24]，氧提取效率約為9.6%[25]。NASA 還資助了熔鹽電解法制氧（裝置照片如圖4所示），對所用熔劑、電極、氣體采集與分析、補給與出渣等方面開展了研究[26-27]。真空熱解制氧方面，NASA 委托喬治·華盛頓大學對壓力、溫度、質量損失及殘余氣體進行了全面的分析，但對于生成的氣體未作分餾處理[3]。

圖1 PILOT 外場試驗Fig.1 Field test for PILOT

圖2 ROxygen 外場試驗Fig.2 Field test for ROxygen

圖3 碳熱還原系統Fig.3 Carbothermal reduction system

圖4 熔鹽電解裝置照片Fig.4 The molten salt electrolysis device

基礎建設方面，NASA 研制了兩臺小型采礦車，分別為Cratos和筒鼓開采車（分別如圖5和圖6所示）[28]；研發了“推土機”葉片，命名為LANCE（見圖7），用于處理大量月壤[29]；研究了靜電選礦方法，在真空下可使礦物顆粒有效分離[30-31]。

圖5 Cratos 采礦車Fig.5 Cratosmining vehicle

圖6 筒鼓采礦車Fig.6 Bucketdrum mining vehicle

圖7 LANCE 清障車Fig.7 LANCE wrecker

建筑材料方面，NASA 利用黏合劑與模擬月壤混合并模壓成形（見圖8），其中無機黏合劑的重量比約占30%[32]。歐空局資助的研究團隊，采用3D打印機實現穹頂建造，其工藝是將氧化鎂和顆粒物質混合，再用黏性鹽將建材粘合成型，圖9為打印而成的蜂窩結構構件[33]。

圖8 利用JSC 工藝制備的磚塊Fig.8 Brick compressed using JSC technique

圖9 使用仿真月壤3D打印出的月球基地組件結構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]以及光纖傳輸聚焦方法（圖10～圖11）[35]。此外NASA還資助了微波燒蝕成型方法的研究，試驗結果表明，溫度升高，月壤試樣熱吸收能力也隨之升高[36]。

圖10 反射聚焦裝置Fig.10 The reflection focusing device

圖11 光纖傳輸匯聚系統Fig.11 The optical fiber transmission focusing system

配套工程方面，NASA 資助了凱斯西儲大學研究基于土壤力學理論分析不同參數對挖掘力的影響[37]。NASA 格林中心研制了新的月壤力學真空試驗系統，用于測試月壤的力學性能[38-39]。NASA 肯尼迪中心設計了一套氣動月壤轉移系統，主要功能是將月壤傳送至制氧反應器內[40]。

原位制造方面，NASA 對候選技術進行了試驗測試，結果顯示電子束熔融（EBM）技術和選擇性激光燒結（SLS）技術優勢明顯[41-42]。NASA 采用EBM設備對月球土壤模擬樣本進行了熔融試驗，表明電子束熔融技術可用于月表的原位制造[43]。通過熔融電解的方法可以從月球土壤中提取出氧、金屬和硅，然后進行加工制造，有望實現精密部件及太陽電池的原位生產[44]。

綜上所述，月壤ISRU 領域的發展呈現如下趨勢：

1）月壤原位利用的發展將分階段逐步實施；

2）利用月壤制氧和原位成型固化將是近期研究的重點；

3）月壤ISRU 技術優劣的評判將以高效能高可靠性為準繩。

2 技術路線分析

2.1 工程技術路線

根據可能開展的工程任務，月壤ISRU 工程技術發展技術路線如圖12所示。

圖12 月壤原位利用工程技術路線圖Fig.12 Engineering planning graph of in-situ utilization of lunar soil

完善的技術路線基于月壤特性，包括利用月壤進行氧氣制備、推進劑制備、月壤冶金、半導體制備、原位制造及基礎建設等方面內容。

2.2 近期發展構想

近期建議重點開展月壤制氧及基礎建設的預先研究工作，其中基礎建設技術的重點是材料選擇 及成型技術。以下從技術路線選擇、方案、效率及耗能等方面給出初步的研究結果。

2.2.1月壤原位制氧技術

重點分析比較氫還原法、碳熱還原法、熔鹽電解法以及真空熱解法，相關主要信息和指標如表1所示。

表1 月壤制氧技術相關信息Table 1 Related data of oxygen production using lunar soil

如表1可知，制氧方法適用的礦物成分越多，制備溫度越高，氧氣的制備效率越高。其中氫還原法反應溫度最低，月壤以顆粒物的形態參與化學反應，制備效率最低；其他幾種方法制備溫度較高，月壤以熔巖的形態參與化學反應，對物質的操控難度較高，但效率是氫還原法的10倍以上。

制氧裝置是月壤原位制氧系統的關鍵設備，由顆粒物轉運裝置、密封反應釜、氣體分離裝置、加熱裝置等構成，如圖13所示。將月壤采礦運輸車采集到的月壤通過顆粒物轉運裝置加入密封反應釜中，使用加熱裝置將月壤加熱至反應溫度時，通過氣體管路通入氫氣，生成的混合氣體在氣體分離裝置中進行分離，水電解生成氫氣和氧氣，氧氣由氣體管路進入液化存儲裝置，氫氣則經氣體分離裝置返回密封反應釜繼續還原反應。

圖13 制氧裝置組成Fig.13 Block diagram of the oxygen production device

2.2.2月壤原位成型技術

選擇月壤作為基礎建設的主要材料無可爭議，但對于是否添加輔料，不同的技術路線差異較大。將無添加及有添加條件下月壤原位成型技術路線的優缺點列于表2。

表2 無添加及有添加月壤原位成型技術對比Table 2 Comparison between forming techniques using lunar soil with and without additional reagents

由表2可知：1）無添加輔料的技術路線雖然耗能較高，但由于運輸成本較低，適合較大規模的月表基礎建設；2）有添加輔料的技術路線雖然運輸成本較高，但耗能較少，適合小規模的技術驗證；另外其材料穩定性存在一定的問題，需要進一步分析研究。

不同類型的月壤原位成型技術/工藝見表3，可知，燒結成型適合大面積表面成型，而黏結成型和模壓成型則適用于小型結構件的生產；從能源消耗的角度出發，燒結成型對能源的需求最高。

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

3 發展建議

根據對月壤ISRU 技術發展的趨勢分析及工程技術發展構想，建議開展如下工作：

1）制訂月球資源利用發展規劃

對月球資源的原位開發和利用可能是人類有史以來最為宏大的航天工程，工程投資巨大，任務周期跨度較大，實施過程復雜，存在較大風險，因此需要按照不同的發展階段，進行系統性的規劃論證，分批次分階段實施，在協調月壤原位利用技術與月球資源開發利用之關系的同時規避風險。

2）深入分析和研究月壤特性

準確獲得月壤特性是進行月壤利用的前提；對關鍵的月壤特性指標，應具備在線或者離線的分析測試能力。重點關注月壤的力學、熱學及電學特性，建立月壤與復雜結構體相互作用的分析模型，確定月表不同邊界條件下月壤的力學、熱學和電學響應特性。

3）方案設計應在高效率與高可靠性之間尋求平衡

技術方案的選擇不應以追求高效率為唯一的判別標準。由于月表條件惡劣，全程操控和處理顆粒形態的月壤要求設備運行穩定，具有較強的防塵能力，且要求設備運行中盡可能降低人工干預，即月壤原位利用裝備須具備極強的可靠性，因此應當在高效率與高可靠性之間進行平衡。

4）將氫還原法作為利用月壤制氧的重要選擇之一

雖然利用月球極區水冰制氧也是重要選擇，但考慮到月球極區溫度極低，水冰存在于終年無光照的隕石坑底部，開采難度極高，因此在鈦鐵礦含量較高的低緯度地區，采用氫還原法也是未來技術發展的重要選擇之一。

5）采用無添加月壤作為月表基建材料

基于對未來月表基礎建設的設想，無論建筑屏蔽外殼，還是著陸場護堤，亦或道路的建造，所需的土石建筑量都是巨大的；即使需添加的輔料比例很低，數以噸計的輔料運輸量在成本上也難以接受。另一方面，一次成型顯然要比組件安裝更適合自動化操作。據此建議采用無添加輔料的月壤，輔以相應的成型技術進行基礎設施建設。