供稿|陳志遠(yuǎn)，周?chē)?guó)治/CHEN Zhi-yuan，CHOU Kuo-Chih

月球基地是科幻電影中的經(jīng)典影像，而在美國(guó) NASA 的項(xiàng)目中，實(shí)際上也開(kāi)展了不少的相關(guān)研究。其涉及面之廣，從機(jī)械到建筑、從水的收集到能量的傳輸、從資源的探測(cè)到氧氣的制造，NASA 作出了不少系統(tǒng)的規(guī)劃和研究[1-2]。這些研究的目的就是建立一個(gè)自給自足的月球基地。我國(guó)的太空技術(shù)起步較晚，但正在奮起直追。在基本完成不載人月球探測(cè)任務(wù)后，我國(guó)也提出根據(jù)我國(guó)的國(guó)情和國(guó)力實(shí)施載人登月和月球基地的建設(shè)[3]。

可以預(yù)見(jiàn)的是，集能源、采礦、冶金、氣體制造為一體的月球工業(yè)工程必然是月球基地得以建立和維持運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠保證。NASA 主導(dǎo)開(kāi)展的原位資源利用 (In-Situ Resource Utilization, 簡(jiǎn)稱(chēng) ISRU) 研究正是實(shí)現(xiàn)這一工程的努力[2]。

然而在現(xiàn)有的研究中，冶金學(xué)家參與的并不多。而地理學(xué)家們?cè)谠虑蛸Y源探測(cè)方面則做了大量細(xì)致的工作?；W(xué)家們?cè)诶眠@些資源制造氧氣工程上也提出了系統(tǒng)的方法。金屬材料是人類(lèi)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，但是月球冶金現(xiàn)在只有零星的研究，而在我國(guó)更是沒(méi)有相關(guān)的工作公布出來(lái)。月球基地的建立需要長(zhǎng)期的準(zhǔn)備，我國(guó)在這方面的研究需要提早建立起來(lái)。

空間技術(shù)的發(fā)展有兩重作用，一方面是滿(mǎn)足人類(lèi)不斷探索宇宙奧秘的追求，促進(jìn)空間技術(shù)本身的發(fā)展；另一方面則是通過(guò)空間技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)科技的進(jìn)步。因此，月球冶金工業(yè)研究不僅是為未來(lái)太空基地建立做的準(zhǔn)備?，F(xiàn)代冶金面臨著資源短缺、能源危機(jī)雙重困難，因此亟需可持續(xù)可循環(huán)的新冶金流程。月球冶金的開(kāi)展也能為冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。

月球的能源和資源

月球冶金工業(yè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃應(yīng)是基于月球表面礦產(chǎn)資源和能源狀況設(shè)計(jì)的。

月球的能源儲(chǔ)備

太陽(yáng)能是主要的太空能源，但月球光照時(shí)間較短，其在月球上的應(yīng)用需要考慮能源的大規(guī)模存儲(chǔ)問(wèn)題，這需要與燃料電池等設(shè)備的連用。此外，核能也是高效的能源來(lái)源。月球上數(shù)百萬(wàn)噸的3He 作為核聚變?cè)先绻荛_(kāi)發(fā)出來(lái)，將提供源源不斷的能源。月球兩極數(shù)十億噸的水冰電解產(chǎn)生的氫也能提供豐富的能源[4]。

月球冶金工業(yè)方式

月球上最適合的能量傳輸方式是無(wú)線(xiàn)的電能傳輸。無(wú)線(xiàn)電輸 (wireless power transmission, WPT)，就是用微源或激光器把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ɑ蚣す?，然后由天線(xiàn)發(fā)射出去，大功率的電磁射束通過(guò)自由空間后被接收天線(xiàn)收集，經(jīng)微波或激光整流器后重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟奫5]。因此，直接利用電能的冶金方式是月球冶金工業(yè)較為合適的實(shí)現(xiàn)方式。

月球表面環(huán)境是處于高度真空中，因此地球環(huán)境下金屬冶煉和加工過(guò)程中的氧化問(wèn)題可以避免，另外真空冶煉的種種好處也可以輕易實(shí)現(xiàn)。但是由于月球氣態(tài)氧獲取比較困難，而且按目前科技水平估算從地球運(yùn)輸氧氣到月球的成本約為 5～9 萬(wàn)美元/t[6]，因此高溫冶金中常用的氧氣吹煉工藝是不適宜的。

月球的礦產(chǎn)資源

目前對(duì)于月球表面礦物組成的探索主要通過(guò)三種方法完成：繞月飛行器的遙感觀(guān)測(cè)，月球探測(cè)器登月實(shí)地采樣以及對(duì)于月球隕石的研究。通過(guò)這些方式，已經(jīng)分析出了豐富的信息。

月球表面的月壤中包含豐富的礦產(chǎn)資源。作為月球主要的冶金礦產(chǎn)，鈦鐵礦以萬(wàn)億噸計(jì)。另一種高地三大巖石類(lèi)型之一的克里普巖中蘊(yùn)藏的稀土元素資源量也以超過(guò)百億噸計(jì)。另外還有鎂、鉻、鎳、銅等豐富的金屬資源[7]。月球的微塵中存在納米級(jí)的金屬鐵[8]，也許可以用直接的高溫熔分的辦法通過(guò)這一特殊的資源獲取金屬鐵。

與地球表面不同，月球表面的礦物開(kāi)采和利用方案設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的問(wèn)題是月壤的特殊性質(zhì)。比如除去礫石的月壤非常細(xì)小，體積密度僅有 1.5 g/cm3左右。其中 10%～20% 為 20 μm 以下的微塵，容易造成機(jī)械設(shè)備的磨蝕[8-9]。因此，針對(duì)月壤特點(diǎn)，需要一種量身定制的冶金方法。

圖1 月壤中元素的組成[10]

月球冶金工藝流程

月球開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工程——原位資源利用的研究主要是針對(duì)氧氣和燃料、能源的制造進(jìn)行研究的。因?yàn)檠鯕鈱?duì)于月球基地中人的生存至關(guān)重要，而燃料能源的提取，才能為月球工作的開(kāi)展和航天器、探測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力支持。但是，ISRU 要對(duì)月壤中的礦產(chǎn)資源進(jìn)行提取，必然要涉及到冶金工藝方法。

作為原位資源利用工程中的重要組成部分，制氧工藝主要是以氧化物礦物為原料，通過(guò)各種途徑分離出氣態(tài)氧，在這一過(guò)程中，金屬作為副產(chǎn)物生產(chǎn)出來(lái)。冶金中常用礦物鈦鐵礦是 ISRU 制氧工藝中的主要考察對(duì)象之一[11-12]。當(dāng)前研究中的工藝主要有三種：高溫電解法、氣基還原法和高溫自蔓延法。

高溫電解法

除了需要用到大量由地球提供氯化物原料的熔鹽電解法[13]以外，另一種方法是電解融熔態(tài)礦物的熔巖高溫電解法。如在 1600℃ 通過(guò)以下電解礦物反應(yīng)生產(chǎn)金屬鐵和硅[14]：

圖2 為 McCullough 等[15]給出的熔巖電解工藝裝置設(shè)計(jì)。

礦物熔點(diǎn)控制和設(shè)備的選取是這一工藝的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)配礦降低原料熔點(diǎn)至合理值后，可以使用電熱方法加熱其至熔融狀態(tài)，然后電解。由于電解產(chǎn)物中的氧氣需要收集，因此需要保證裝置的氣密性。為保證金屬液的順利導(dǎo)出，導(dǎo)流槽設(shè)計(jì)也十分重要。由于熔巖高溫電解法原則上只需要提供足夠的電能，對(duì)地球提供資源依賴(lài)性不強(qiáng)，因此原理上是最簡(jiǎn)單易行的方法。

氣基還原法

氣基還原法包括氫還原、碳基燃料還原、氟還原、碳熱氯化還原法等方法。流化床還原是氣基還原中常用的工藝形式。如圖3 所示的是聯(lián)合了氫氣制造裝置的氫還原鈦鐵礦流化床設(shè)備。

圖2 月球表面巖石熔融電解池設(shè)計(jì)圖[15]

圖3 氫還原月壤中鈦鐵礦的流化床裝置[12]

Balasubramaniam[16]提出了一種碳基燃料還原方法：在月球上利用高溫還原，從甲烷中獲得氫氣和一氧化碳，同時(shí)在熔化的月塵中也會(huì)產(chǎn)生金屬。他認(rèn)為，由于月塵具有很差的差熱傳導(dǎo)性質(zhì)，因此可以將收集的月塵用激光等加熱熔化，從而形成有類(lèi)似無(wú)定形耐火材料的月塵不完全包覆的熔滴。甲烷在熔滴表面通過(guò)時(shí)，氣體分解，會(huì)產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，并且還原出金屬。另外，他還提出了用于預(yù)報(bào)這種資源開(kāi)采利用過(guò)程生產(chǎn)速率的模型。

這一工藝中所用到的甲烷可以借用火星ISRU 開(kāi)發(fā)中提到的技術(shù)[17]：用 Ni 催化劑的固體氧化物燃料電解池 (SOEC) 在 673 K 時(shí)通過(guò)反應(yīng) CO2+4H2→CH4+2H2O 以及水的電解反應(yīng)生產(chǎn)。鋁基釕催化劑可以在 573 K 以下使上述電解反應(yīng)發(fā)生，并且不會(huì)產(chǎn)生有毒的鎳羰基化合物。當(dāng)然，也可以直接在 1373 K 下還原二氧化碳。二氧化碳原料為人類(lèi)呼吸產(chǎn)生或由地球運(yùn)送，水則依賴(lài)月球兩極的冰資源。

大部分的氣基還原方法都需要地球運(yùn)送還原用氣體到月球上，這樣會(huì)花費(fèi)很大的成本。另外，氣體在還原設(shè)備中的密封及循環(huán)使用問(wèn)題都需要解決。氟還原方法和碳熱氯化還原法還面臨著設(shè)備腐蝕防護(hù)的問(wèn)題?？紤]資源的易得性和可持續(xù)性，氫還原法應(yīng)該是氣基還原工藝中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法。

高溫自蔓延法

高溫自蔓延 (燃燒) 合成 (SHS) 方法[18]可以在無(wú)氧環(huán)境和微重力環(huán)境中應(yīng)用，在太空中這種技術(shù)的靈活性和適應(yīng)性很好，并且具有多用途的特點(diǎn)。有文獻(xiàn)報(bào)道，月壤中鈦鐵礦 SHS 方法主要有兩個(gè)反應(yīng)[18]：

其中，鎂熱還原反應(yīng)不需要碳作為原料加入，因而被認(rèn)為更具發(fā)展前途。文獻(xiàn)中對(duì)適應(yīng)月壤條件的 SHS 方法作了詳細(xì)的研究，其中圖4 是通過(guò) SHS 工藝冶煉出的產(chǎn)品。

S H S 方法的好處是不需要外部能源，但是 Mg 和 Al 的循環(huán)利用以及渣金分離是這一工藝需要解決的問(wèn)題。

圖4 以模擬月壤為原料通過(guò) SHS 方法生產(chǎn)的產(chǎn)品[18]

結(jié) 語(yǔ)

月球冶金方法的優(yōu)劣應(yīng)以資源的循環(huán)利用、設(shè)備的穩(wěn)定性、工藝的簡(jiǎn)易性以及流程的自動(dòng)化程度來(lái)判斷。以上可用于月球的冶金方法對(duì)資源及能源的需求各不相同，高溫電解法和氫還原法對(duì)地球資源依賴(lài)程度低，是最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。盡管月球 ISRU 研究已經(jīng)積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，但是在現(xiàn)有的 ISRU 研究偏重方向并不在金屬提取上，因此冶金學(xué)家在相關(guān)工藝方法中可以做和需要做的工作還很多。

冶金學(xué)家在電解提取和凈化金屬、氣基還原方面都有豐富的經(jīng)驗(yàn)。如無(wú)污染脫氧法[19-20]及氫冶金的研究就為冶金學(xué)家開(kāi)展月球冶金新方法的研究打下了基礎(chǔ)。新的研究方向不但會(huì)為冶金這一古老的學(xué)科注入新的活力，也必然會(huì)推動(dòng)我國(guó)太空技術(shù)的發(fā)展。

致 謝

感謝國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“973”專(zhuān)項(xiàng)資助 (No.2012 CB 215405)。

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