月球水資源分布及開發(fā)利用研究進展

摘要：

月球具有豐富的水資源，其開發(fā)利用是月球科研站及月球基地建設(shè)與運行的重要保障，也是目前各國月球探測計劃的重要研究領(lǐng)域。綜合調(diào)研國內(nèi)外月球水冰資源的相關(guān)研究論文、會議、報告，綜述了對月球水資源的含量分布、賦存形式、開采方案的研究現(xiàn)狀，討論了國際探月形式。結(jié)果表明：現(xiàn)存月球水資源主要以水冰的形式分布于月球兩極永久陰影區(qū)，就地加熱和就地鉆孔兩種方案為主要可行的開采方案，建議未來加強開展國際合作，建設(shè)月球基地，開展月球水冰資源原位探測和實地開采等試驗。

關(guān)鍵詞：

月球水冰； 月球水資源開采； 月球探測

中圖法分類號：TV213.9

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.013

文章編號：1006-0081（2025）02-0072-06

0 引 言

面臨地球水資源日益匱乏的問題，探索月球水資源，有助于緩解地球上持續(xù)增長的水資源需求，對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要研究價值。除此之外，月球水資源的研究可為人類深空基地建設(shè)提供生態(tài)支撐，對探索太陽系中其他行星和天體的資源潛力具有指導(dǎo)意義，并對未來在其他行星上的資源開發(fā)提供重要的經(jīng)驗和技術(shù)支持。基于中國探月計劃“嫦娥工程”，嫦娥五號帶回“月球礦物光譜儀”的探測數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等單位的研究人員首次獲得了月表原位條件下的水含量，這一發(fā)現(xiàn)對于月球水資源研究具有重大意義。本文探討了月球水資源的研究背景及研究現(xiàn)狀，就月球水資源的含量分布、賦存形式、開采利用進行了綜述，可為未來月球水資源綜合開發(fā)研究提供參考。

1 研究背景

縱觀人類歷史，對宇宙的探索從未停止，月球作為離地球最近的星體，是開展深空探索的重要跳板。自20世紀五六十年代蘇聯(lián)發(fā)射第一顆探月衛(wèi)星開始，月球探索便是各航天大國的研究熱點。

水作為生命之源，是開展月球探索的重要支撐保障，若月球上存在水資源，對月球探索有極大促進作用，但對月球是否存在水資源一直存在較大爭議。月球表面無大氣層保護，晝夜溫差極大，難以保存液態(tài)水。但月球兩極的部分撞擊坑內(nèi)部會形成永久陰影區(qū)，這些區(qū)域表面溫度極低（lt;110 K），可保存固態(tài)水冰及其他有機物［1］。諾貝爾獎得主Harold早在1952年就提出猜想：如果這些陰影區(qū)里原先就有固態(tài)的水存在，就會一直保存下來，或者氣態(tài)形式的水來到這些陰影區(qū)中時，也會以水冰的形式被永久地封存住。Watson等［2］也提出在月球兩極的永久陰影區(qū)可能存在大量的水冰，以冰塵混合物——“臟冰”的形式存在。1994年，美國克萊門汀探測器檢測到月球南極存在固態(tài)冰信號，但由于粗糙的月表對探測信號有一定的干擾作用，同時又缺乏其他更多有力的證據(jù)，因此科學(xué)家們無法確定該檢測信號就是水冰信號。2009年，“月球隕石坑觀測和傳感衛(wèi)星（LCROSS）”利用近紅外光譜儀，探測到動力撞擊器與月球南極地區(qū)的凱布斯撞擊產(chǎn)生的羽狀濺射物中具有含羥基化合物的光譜特征，紫外光譜儀也在撞擊濺射物中檢測到蒸汽和碎片云中OH-的發(fā)射譜線，這些結(jié)果證實凱布斯撞擊坑中有水冰存在［3-4］。直到2018年Li等利用光譜數(shù)據(jù)在月球極區(qū)發(fā)現(xiàn)了暴露在地表的水冰，科學(xué)家們首次在月球發(fā)現(xiàn)水冰存在的直接證據(jù)［5］。

除了月球極地區(qū)域存在水外，月球內(nèi)部可能也存在水。國外對于月球內(nèi)部水的研究主要基于對月球樣品的檢測展開。美國Apollo和俄羅斯Luna計劃帶回了約382 kg的月壤樣品，但經(jīng)檢查，這些樣品中并無地球上常見的含水化合物，因此直到20世紀末，月球普遍被認為是無水的星球。Saal等［6］首次利用高精度SIMS在月球火山玻璃珠中精確檢測到水，含量可達46×10-6。SIMS是離子探針，具有極低的檢測限，可達約5×10-6，為月球樣品水含量的精確測定提供了可能。Hauri 等［7］用 SIMS 檢測橄欖石熔融包裹體含水量為615×10-6～1 410×10-6，還原得到的原始月幔含水量為79×10-6～409×10-6，與地球上地幔含水量相近。由于月壤樣品不多，國外對于月球內(nèi)部水的研究開展較少。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 月球水含量分布

大量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及月壤分析結(jié)果表明，月球水主要以水冰的形式分布在兩極區(qū)域。1997年Stacy等［8］利用阿雷西博12.6 cm波長雷達系統(tǒng)以125 m的分辨率獲得月球極地地區(qū)成像，發(fā)現(xiàn)在月球極區(qū)小于1 km范圍內(nèi)存在水冰，這證明了月球極區(qū)小范圍內(nèi)存在水。Pieters等［9］對月船一號的月球礦物繪圖儀（M3）分析發(fā)現(xiàn)，月球兩極區(qū)域含OH-和H2O或只含H2O的物質(zhì)的吸收最為強烈，進一步證明月球有水資源存在，并且在太陽風(fēng)作用下，月球兩極區(qū)域形成水是一個持續(xù)的過程。Spudis等［10-11］也分析了月船一號的探測數(shù)據(jù)，研究表明月球極區(qū)的圓偏振比存在差異，這表明兩極區(qū)的水冰分布存在不均性。Thomson等［12］報告了月球南極附近沙克爾頓隕石坑的第一次軌道雷達測量，根據(jù)Mini-RF觀測表明，隕石坑壁上的CPR（圓極化比）呈斑塊狀、非均質(zhì)增強，其中存在5%～10%質(zhì)量百分比的水冰影響。Cannon等［13］研究了月球兩極區(qū)域的冷阱數(shù)量和分布面積，其結(jié)果與Li等［14］研究報道的反射光譜中，由水冰診斷性近紅外吸收特征得出的月球水冰分布結(jié)果一致。這兩項研究進一步證明月球水冰資源主要集中在兩極區(qū)域。因此，綜合各項探測數(shù)據(jù)和研究成果表明，月球表面存在水資源并主要集中于兩極區(qū)域。

在證明月球水資源分布后，評估月球水資源的含量也是一項重要的課題。在月船一號傳回的雷達數(shù)據(jù)中，Spudis等［10］認為月球北極區(qū)有超過30個直徑為1.6～15 km2的小隕石坑內(nèi)存在不規(guī)則分布的水冰，厚度達2～3 m，美國航空航天局據(jù)此估計月球北極水冰儲量至少為6億t。Cannon等［15］創(chuàng)建了一個含冰沉積和噴射物的蒙特卡羅模型，提出在較老的冷圈閉（gt;4 Ga）內(nèi)可以形成巨量的水冰資源，每100 km2冷阱中厚10 m的水冰資源含量可達10億t。Feldman等［16-18］分析了月球勘探者號測量的低溫?zé)嶂凶雍涂熘凶油繄D，發(fā)現(xiàn)在月球兩極區(qū)月表厚40 cm的干燥風(fēng)化層覆蓋下可能有水冰存在，并在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，這些水冰區(qū)域的分布面積可達1 840 km2，因此估計兩極的水冰儲量都各達30億t。Paige等［19］估計月球南極厚度為1 m的水冰冷阱面積可達12 000 km2，因此估算這些冷阱中的水冰資源質(zhì)量可達1 200億t。Rubanenko等［20］則提出月壤中可能有巨厚的純水冰層，據(jù)估計月壤水冰甚至可以高達1 000億t。中國科學(xué)家通過分析嫦娥五號帶回的月壤樣品，發(fā)現(xiàn)月壤撞擊玻璃珠中儲存有高達2 700億t的由太陽風(fēng)產(chǎn)生的水［21］。綜上所述，對于月球水冰資源的含量，現(xiàn)階段的研究存在較大差異，有必要對月球水資源含量進行具體評估。

現(xiàn)階段對月壤水含量的研究中，主要的計算依據(jù)是月表永久陰影區(qū)和冷阱面積、月壤厚度和月壤含水量。最新研究表明，月球表面北極永久陰影區(qū)面積為13 361 km2，南極永久陰影區(qū)面積17 698 km2，總面積為31 059 km2［22］。月壤厚度存在月海與高地之分，前者的平均厚度約為5 m，后者的平均厚度約為10 m［23-24］。根據(jù)嫦娥三號著陸點雷達探測顯示，估測著陸點區(qū)域表層月壤密度為0.85 g/cm3，且月壤密度隨著深度發(fā)生變化［25］，基于月球觀測衛(wèi)星和紅外光譜信號，月壤的水含量約為5.6%～6.3%［26-27］。綜合以上研究資料，吳言蔚等［28］選用月球表面陰影區(qū)31 000" km2，月壤含水量為5.6%，厚度為5 m，估算出月壤水冰資源含量約為142.8億t。

2.2 月球水賦存形式

現(xiàn)代航天技術(shù)利用衛(wèi)星遙感、月壤采樣分析等方法，推測出月球兩極區(qū)的水主要有以下幾種賦存形式：礦物晶格中的結(jié)構(gòu)水、顆粒表面吸附水和水冰以及以H+和OH-形式存在的水。結(jié)構(gòu)水主要以羥基的形式與陽離子結(jié)合存在于晶格中，是光照區(qū)月壤水的主要存在方式；顆粒表面吸附水主要吸附于礦物顆粒表面，存在于月球永久陰影區(qū)，在高溫時易脫落；水冰是月球水資源的主要存在形式，直接暴露在月表或埋藏在月壤下［29-31］。

水冰資源開發(fā)是目前月球水資源開發(fā)利用的主要方向。Cannon等［32-33］將月球永久陰影區(qū)的冰壤混合形式分為冰層與月壤混合、冰塊與月壤混合和冰粒與月壤混合3類。并在此基礎(chǔ)上研究了月球兩極水冰和濺射沉積物的地層學(xué)，根據(jù)阿波羅樣品中觀察到的月壤顆粒復(fù)雜性以及冰在冷阱中運行的物理過程，再將上述3類冰壤混合物分成了離散冰粒、連續(xù)覆蓋冰、角礫冰等9種形式［15，30，34］，如圖1所示。

2.3 月球水開采利用

大量遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，月球表面存在水資源［34］，如何利用這些水資源，將是人類探索月球乃至探索太空的關(guān)鍵技術(shù)，因此世界各國科研人員積極開展工作。 Prasad等［35］提出了一種用于月球水冰原位探測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，證明了傳感器節(jié)點硬件的可行性。激光雷達方面，Murayama等［36］利用近紅外激光二極管研制了一種腔長為5 cm的小型化腔衰蕩光譜儀（mini-CRDS），其能夠通過使用Peltier元素模塊改變諧振點以插入腔的自由光譜范圍（FSR）間隙，通過獨特的機制，實現(xiàn)在低壓（lt; 100 Pa）下測量有限數(shù)量的水蒸氣樣品。NASA的科學(xué)家Bai等［37］設(shè)計了一種激光雷達，這種激光雷達可產(chǎn)生波長為6.08 μm的高能激光脈沖，6.08 μm光的吸收與H2O的彎曲共振有獨特的聯(lián)系，該激光雷達可用于從月球和火星各自的軌道上探測水冰，從而實現(xiàn)新的科學(xué)和原位資源利用。他們還開發(fā)了ISRU（行星的原位資源利用技術(shù)）系統(tǒng)的概念設(shè)計，從永久陰影區(qū)域的冰冷污垢中提取水，并將其加工成液氧和液氫［38］。在以上相關(guān)月球水資源探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，國外的月球水資源開采利用方案開展較早，研究成果比較豐富。Sowers 等［39］提出了通過加熱開采技術(shù)對含冰月壤進行直接加熱，使冰升華并以蒸汽的形式從月壤表面釋放，再通過冷阱裝置進行收集，如圖2所示，但該方案存在只能提取表層水冰的局限性。Wasilewski［40］模擬分析了加熱開采系統(tǒng)，他發(fā)現(xiàn)月壤導(dǎo)熱率、熱容性質(zhì)和孔隙度等參數(shù)對加熱開采效率有重要影響：開始加熱時，月壤表層水冰會迅速受熱產(chǎn)生產(chǎn)量，但隨著表層水冰的消耗，月壤的熱導(dǎo)率下降將抑制下層水冰的提取，不同的熱性質(zhì)可能會進一步降低提取性能。因此Sowers等［41］提出了鉆孔式提取方案：先在陰影區(qū)的含冰月壤中鉆孔，在孔內(nèi)利用加熱器使水冰升華，再利用冷凝裝置收集得到水冰并送往月球光照區(qū)水處理中心進行處理或儲存。該方案被王超等人優(yōu)化，在加熱鉆取方案的基礎(chǔ)上，提出了光熱鉆取一體化系統(tǒng)［42］，使用鉆取、太陽能聚光加熱與水蒸氣等揮發(fā)提取分離的一體化系統(tǒng)，此方案的葉片結(jié)構(gòu)以及熱防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計也使得水冰提取效率得到提高。Kornuta等［43］對月表水冰資源綜合開發(fā)過程進行了詳細設(shè)計，主要包括月表開采、月表推進劑生產(chǎn)、機器服務(wù)和能源供給等子系統(tǒng)作業(yè)流程。綜上來看，月球水冰資源的主要開發(fā)方法為就地加熱法和就地鉆取法。

中國在月球水資源的開采研究上雖然起步較晚，但國家重視相關(guān)技術(shù)發(fā)展，科研人員積極探索，也取得了許多成果：錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室研究團隊提出了光熱鉆取一體化的水冰高效利用設(shè)計方案，在收集水冰的過程中，利用鉆頭鉆進月壤，鉆桿頂部的導(dǎo)光鏡面將外部聚光裝置匯聚的太陽光導(dǎo)入鉆桿內(nèi)部，為月表土壤內(nèi)部水揮發(fā)提供熱能［44］，其結(jié)構(gòu)及原理示意見圖3。國家航天局登月計劃科研人員提出了一種利用動能穿透高效暴露月球地下水冰、利用機械臂精確采集和轉(zhuǎn)移月球土壤樣品的新型月球水冰采樣系統(tǒng)［45-46］，用以解決月球永久陰影區(qū)冰與土在極低溫條件下發(fā)生膠結(jié)硬化，難以快速采集月球地下水冰樣品的問題。并從不同的探月方式出發(fā)，初步提出了中國未來探月工程中水冰的科學(xué)任務(wù)、載荷配置、功能需求以及可能的科學(xué)產(chǎn)出，為未來探月任務(wù)提供參考。趙嘉龍等［47］針對月球極區(qū)水冰原位資源開采問題，提出一種熱管陣列布局設(shè)計方法：根據(jù)水冰開采方案給出了熱管陣列，用三維有限差分方法對熱管陣列進行熱傳導(dǎo)數(shù)值解算；建立采水量與熱流消耗的目標函數(shù)，利用遺傳算法對熱管陣列布局進行優(yōu)化，迭代搜索出熱管布局的最優(yōu)解，這一設(shè)計可提高極地原位資源的采集效率。于強等［48］建立了月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)，用于滿足鉆取及凝華裝置開展系統(tǒng)級真空低溫試驗的需要；初步試驗結(jié)果表明，所建立的試驗系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)階段開展月球極區(qū)真空低溫試驗的需求。

月球水資源的開發(fā)利用是未來探月計劃和月球基地建設(shè)的關(guān)鍵部分，是各航天大國的重要戰(zhàn)略目標［49］。美國2019年提出了Artemis計劃，要在2024年實現(xiàn)月球南極登陸［50］（但現(xiàn)階段由于技術(shù)原因，該計劃推遲到2026～2027年）；歐洲航天局也提出了月球南極探測計劃，并在月球建立國際月球村；俄羅斯擬通過“LUNAR-25”～“LUNAR-29”共5次登月任務(wù)，實現(xiàn)在月球南極建立科研基地。日本、印度等國家也在大力開展探月登月計劃，并積極發(fā)展合作。

中國探月工程嫦娥計劃從2004年穩(wěn)步實施，已取得了豐富的成果。2016年提出了共建國際月球科研站（International Lunar Research Station，ILRS）的設(shè)想［51］；2019年嫦娥四號在國際上首次實現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視探測；2020年嫦娥五號成功將月壤樣品帶回，并通過原位分析進一步證實了月球存在水資源。中國國家航天局與歐洲航天局、俄羅斯航天局積極展開合作，結(jié)合國際上的各個探月任務(wù)，以嫦娥計劃四期工程及俄羅斯的LUNAR系列任務(wù)為主體，分“三步走”戰(zhàn)略建設(shè)國際月球科研站［30，51］，并以認證月球水冰的存在、確定其來源為該項目首要目標。

3 結(jié)論與展望

對月球樣品的分析及大量衛(wèi)星遙感探測數(shù)據(jù)表明，月球表面存在含量相當可觀的水資源，且主要以水冰的形式分布于月球兩極區(qū)。極區(qū)水冰資源的開采利用是目前航天探測的熱點，對未來月球基地的建設(shè)及其他星體的探索具有重要意義。對于月球水冰資源的主要開采方案為就地加熱方案和就地鉆取方案，兩種方案各有優(yōu)劣，但都還處于理論階段，未開展月球?qū)嵉卦囼灐Ｒ虼藝H各個航天大國爭相提出探月計劃，并積極開展國際合作，以共建月球科研基地，開展月球水資源開采利用實地試驗，將理論與實際結(jié)合。

綜合來看，現(xiàn)如今主要的航天計劃集中從技術(shù)研究向資源開發(fā)的方向轉(zhuǎn)移，并由淺入深，從單次登月探索轉(zhuǎn)變?yōu)榻⒃虑蚧剡M行長期深入研究。在未來，探月工程應(yīng)以月球兩極陰影區(qū)為主要開發(fā)區(qū)域，以共建月球基地為基礎(chǔ)，開展國際合作探索，開發(fā)利用月球豐富的水冰礦產(chǎn)等資源，以水冰資源為主體，開展原位取樣分析等方法證實月球水冰分布與含量，并制定因地制宜的開發(fā)方案，實現(xiàn)月球水冰資源的高效利用。

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（編輯：李 晗）

Research progress on development and utilization of lunar water resources

WU Xinyang，ZHANG Zetian

（National Key Laboratory of Intelligent Construction and Health Operation and Maintenance of Deep Earth Engineering，Sichuan University ，Chengdu 610065，China）

Abstract： The Moon is rich in water resources，the development and utilization of these resources are crucial guarantees for the construction and operation of lunar research stations and bases，and are important in the current lunar exploration plan research of various countries.By synthesizing relevant research papers，conferences，and reports on lunar water ice resources both domestically and internationally，we reviewed the current research status of the content distribution，occurrence forms，and extraction schemes of lunar water resources，and found the international lunar exploration patterns.The results indicate that the existing lunar water resources are mainly distributed in the form of water ice in the permanent shadow regions of lunar′s poles.Regarding extraction schemes，on-site heating and on-site drilling are the primary feasible options.It is suggested that future efforts should focus on strengthening international cooperation，promoting the construction of lunar bases，and conducting on-site exploration and field extraction experiments of lunar water ice resources.

Key words：

lunar water ice； lunar water resources extraction； lunar exploration