閻師，陳輝，袁勇，王旭東

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月球資源原位利用進展及展望

閻師1，陳輝2，袁勇2，王旭東3

（1．中國空間技術研究院，北京 100094；2．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；3．北京科技大學新材料技術研究院，北京 100083）

利用豐富的月球資源制造產品和開展各項服務對人類月球探測任務至關重要。文章對NASA月球資源原位利用項目的目標、技術路線、技術成熟度和制氧技術進行了綜述，并針對適用于我國的月球資源原位利用項目提出建設性意見。

月球探測；資源原位利用；制氧

0 引言

伴隨著人類的探月實踐，美國、歐洲和俄羅斯等先后提出建立月球基地的計劃，未來我國也將根據(jù)國情考慮開展月球基地建設[1]。鑒于高昂的地月運輸費用，及月球豐富的能源和礦產資源儲備，月球資源原位利用已經成為月球基地等中長期月球任務得以建立、運行和應用的基本技術保證。

為此，國外數(shù)家航天機構正布局開展月球資源原位利用技術研究。NASA在“探測技術與開發(fā)計劃（ETDP）”中，把資源原位利用列為12項關鍵技術之一，并于馬歇爾航天飛行中心成立了專門的研究機構[2]。俄羅斯航天局的“月球-全球計劃”提出開展月球內部構造及月球資源原位利用等研究。日本宇宙航空研究開發(fā)機構的“月女神計劃”，安排了月球資源原位利用技術和驗證研究項目。隨著我國月球探測計劃及相關工程科學活動的實施，月球資源原位利用技術將提上研究日程。

本文綜述了NASA月球資源原位利用技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并對我國的月球資源原位利用項目進行了分析與展望。

1 NASA月球資源原位利用概況

1.1 目標與技術路線

早在人類第一次登月之前，NASA就提出了月球資源原位利用（ISRU）概念。直至2005年，人類首個月球資源原位利用項目才得以列入NASA的ETDP中[2]。該項目最初由約翰遜航天中心牽頭，然后轉由肯尼迪航天中心接管負責，馬歇爾航天飛行中心、格倫研究中心、艾姆斯研究中心和噴氣推進實驗室參與其中。NASA的月球資源原位利用是在探明月球資源的基礎上，開發(fā)相應的化學處理技術和機器人技術[3-4]，用于月壤挖掘、月壤制氧、極地冰/揮發(fā)物資源的分析和測繪，以及利用月球的碳資源生產燃料和水，從而為人類的中長期月球任務供應推進劑、燃料電池反應物、生命保障等任務消耗品以及用于建造基礎設施的材料，最終達到大幅減少地月運輸成本，降低任務風險，提高任務自主性的目的[5]。

為將月球資源原位利用項目有效地集成到“任務體系計劃（MAP）”中，NASA和加拿大航天局在項目立項之初就建立了一個空間資源原位利用的采礦生產流程[2,6-7]，以致力于開展聯(lián)合技術和集成性測試活動。圖1中，“空間資源原位利用采礦生產流程”的起點是根據(jù)來自于軌道和現(xiàn)場采集到的有價值信息，以及任務目標、科學目標和資源評估的相關性，由聯(lián)合科研團隊對被探測地點的潛在資源進行分析與定位。有了這些資源信息，就可以進行采礦、現(xiàn)場作業(yè)以及產品的加工生產了。加工工藝和產品儲存還必須滿足最終用戶對產品質量、形式和數(shù)量的需求。

圖1 空間資源原位利用采礦生產流程

此外，在ETDP中，NASA還嘗試著將資源原位利用與物流、推進、動力、生命保障、低溫儲存和管理等其他月面系統(tǒng)集成到一起[2,8]。其關鍵是系統(tǒng)間液態(tài)物質和能量產物的傳輸與分發(fā)，如圖2所示[2]。

圖2 集成的ISRU-動力-推進-生命保障系統(tǒng)中的液態(tài)物質和能量循環(huán)

1.2 技術成熟度

在ETDP的推動下，NASA已在月球資源原位利用技術開發(fā)和能力建設方面取得了顯著的進步。為評估月球資源原位利用技術的能力，NASA使用“技術成熟度（TRL）”作為評價指標體系。其中，TRL 1～2表示較低的技術成熟度，主要開展概念性和實驗室可行性評估。TRL 4～5表示較高的技術成熟度，主要針對集成系統(tǒng)級別的測試以及在拋物線飛行等微重力條件下的演示驗證。

表1使用TRL評價指標，定量化地給出了ETDP中月球資源原位利用技術的發(fā)展軌跡[2]。

表1 ETDP中的月球資源原位利用技術發(fā)展進展

1.3 “RESOLVE”與模擬現(xiàn)場試驗

為驗證月球資源原位利用技術的可行性，NASA在“資源勘探者任務（RPM）”中立項研制用于“月壤與環(huán)境科學及氧與月球揮發(fā)物提?。≧ESOLVE）”的有效載荷，這是NASA首次嘗試驗證地外資源原位利用技術[2]。RESOLVE由中子譜儀子系統(tǒng)、近紅外譜儀子系統(tǒng)、鉆取系統(tǒng)、氧氣和揮發(fā)物提取節(jié)點（OVEN）子系統(tǒng)和先進的月球揮發(fā)物分析（LAVA）子系統(tǒng)構成[6-7,9]。圖3所示為重量、動力和體積與RESOLVE設計最為接近的第三代樣機[9-10]。

RESOLVE利用氫還原工藝從月壤中提取氧的驗證過程主要包括[6-7]：

1）使用1m長的空心鉆取樣器鉆取地下月壤。

2）將鉆取的巖芯樣品分成若干份，使用拉曼或紅外光譜儀檢測每份樣品中水/冰的存在。

3）空心鉆取樣器中的月壤樣品被輸送至OVEN子系統(tǒng)中，并被逐步加熱至150℃，使用質譜儀和氣相色譜儀檢測氫、碳、氮等以及水、一氧化碳、甲烷或氨等的析出情況。

4）揮發(fā)物分析試驗完成后，升高OVEN子系統(tǒng)的溫度至800℃以上，并充入氫氣以進行氫還原反應。

5）收集揮發(fā)物析出產生的水和氫還原反應產生的水，一并輸送到電解器，以電解生成氫和氧。

6）氧被儲存起來以供后續(xù)使用，氫被再循環(huán)利用。

圖3 RESOLVE第三代樣機

2008年，NASA在地形地貌與月面相似的莫納克亞山上進行了首次月球模擬現(xiàn)場試驗。該試驗將RESOLVE與Scarab月球車集成在一起[2]開展了采礦和生產技術驗證，現(xiàn)場制造了氧氣、水和燃料[10-13]。2010年，同樣是在莫納克亞山，NASA進行了第2次月球模擬現(xiàn)場試驗，重點驗證了RESOLVE的17種儀器和系統(tǒng)間的集成性。這些模擬現(xiàn)場試驗為未來的月球資源原位利用奠定了研究基礎[10-14]。

1.4 月球原位制氧

受政策、經費和技術所限，雖然目前大多數(shù)月球資源原位利用研究仍停留在理論和方案設計層面，但是NASA已經在實驗室對如何從月壤中提取氧進行了相對充分的可行性研究。關于月球資源原位利用在“星座計劃”中的作用，NASA幾經討論后形成了這樣的共識：對月球前哨而言，月球資源原位利用的首要目的就是制氧[15-16]。

氧是月壤的主要化學成分之一，含量豐富。從月壤中提取氧所需的能量，無論是太陽能或核能，將是月球資源原位制氧技術中需要考慮的首要因素，同時，制氧系統(tǒng)的建造難易以及制氧過程中化學物質的環(huán)境友好性也是月球資源原位制氧技術中的關鍵要素。

目前人們已經提出了超過20種從月壤金屬和非金屬氧化物中提取氧的概念性方案，并且已經在實驗室進行了一些縮比驗證試驗[17-18]。在提取效率、所需能量和操作復雜性方面，每種工藝都有各自的優(yōu)缺點。從資源原位利用項目開始至今，NASA相繼開展了3種從月壤中提取氧的概念性方案的實驗室技術驗證[2]。

1）基于氫還原工藝的月壤制氧技術[2]。該工藝是在有氫氣存在的條件下將月壤加熱至約900℃（低于月壤的燒結溫度），使氫和月壤中的鐵氧化物反應生成水；水被電解后生成氧氣和氫氣，氧氣被儲存起來供后續(xù)使用，氫氣被再循環(huán)用于再次的月壤還原。該工藝效率低，因為在月壤尤其極地月壤中鐵氧化物載體礦物含量很低，100 kg的大塊月壤只能提取大約1～3kg的氧。

2）基于碳熱還原工藝的月壤制氧技術[2]。該工藝是在有甲烷存在的條件下將月壤加熱至熔點溫度以上（＞1600℃）；甲烷受熱裂解，釋放出的碳進入熔融的月壤中，并與硅酸鹽中的氧反應釋放出一氧化碳；一氧化碳再與裂解過程中釋放出的氫在催化反應器中反應生成甲烷和水。和前面的工藝一樣，水被電解后，氧被儲存起來供后續(xù)使用，氫被再循環(huán)用于再生甲烷反應物。該工藝的效率適中，每100kg的大塊月壤可提取10～20kg的氧。

3）基于熔融氧化物電解工藝的月壤制氧技術[2,19]。該工藝在有陰極、陽極和電流存在的條件下將月壤加熱至熔點溫度以上，電解幾種金屬/非金屬氧化物以釋放純凈氧氣。按照電解電壓的不同，該工藝也可用于制備純鐵、硅和其他金屬。該工藝的效率高，100 kg大塊月壤可提取20～30kg的氧。

2 我國月球資源原位利用分析與展望

2.1 首選月球原位制氧

根據(jù)NASA月球資源原位利用技術的現(xiàn)狀與趨勢，結合我國探月計劃實施的發(fā)展情況，我國月球資源原位利用的首要應用目標是月球原位制氧。

在人類最終發(fā)現(xiàn)、確定月球上有水之前[20-23]，最重要、最為可行的月球資源原位利用應該就是從月壤中的氧載體礦物原位制氧。首選月球原位制氧，不僅體現(xiàn)在中長期任務中月球環(huán)境控制、生命保障和火箭推進系統(tǒng)存在氧供給需求，以及月壤氧載體礦物豐富的氧資源儲備[24-25]，更主要的是因為在目前的月球資源原位利用研究中，原位制氧是概念設計、技術成熟度和驗證試驗最為充分的一個，可行性最高。

2.2 制氧工藝選用

經過對月壤制氧工藝和研究數(shù)據(jù)的比對分析，認為氣-固相的碳熱還原工藝較為適用于月球原位制氧，即使用甲烷（氣相）還原月壤中的硅氧化物（固相）來制氧。其理由如下：

1）月壤中硅的氧化物儲量大，使原位制氧的選址不受月球地點的限制。

2）相比氫還原工藝（使用氫還原月壤中的鐵氧化物），使用甲烷還原月壤中的硅氧化物具有更高的制氧效率。

3）該工藝的處理溫度低，無須將月壤加熱至熔融態(tài)，原位制氧設備易于設計、工藝過程易于管理，且能耗低。

甲烷的氣-固相碳熱還原工藝的主要反應方程式如圖4所示。

圖4 甲烷碳熱還原工藝反應方程式

圖5給出了甲烷的氣-固相碳熱還原工藝的主要工藝流程，包括：

1）碳熱還原反應：將月壤輸送至碳熱反應器，并與甲烷/氫氣流一起被加熱至處理溫度（＜1000 ℃）。

2）甲烷化催化反應：將碳熱還原反應產生的合成氣（尤其是組分中含有CO和H2的合成氣）輸送到甲烷化反應器，并在催化劑（例如鎳）的作用下，合成氣發(fā)生反應生成甲烷和水蒸氣。

3）水冷凝階段：甲烷化反應器產生的氣體混合物進入到水冷凝器，實現(xiàn)甲烷與水分離；分離后的甲烷被再循環(huán)至該工藝的起點，而液態(tài)的水被輸送至水電解器。

4）電解水階段：水被電解為氧氣和氫氣，隨后，氧氣被儲存起來用于其他用途（例如用于生命保障），而氫氣被再循環(huán)至該工藝的起點。

圖5 甲烷碳熱還原工藝流程

3 結束語

1）月球資源原位利用是月球基地等中長期月球任務得以確立、執(zhí)行和應用的基本技術保證，是我國未來探月工程需要重點突破的關鍵技術，對大幅減少長期空間任務的成本和風險、提高任務系統(tǒng)的可靠性與自主性具有重要的意義。

2）月球資源原位利用涉及諸多技術。不僅包括月球資源探測、采礦、月壤加工、化學和熱制備，以及產品的分離、儲存和輸送等，而且包含物流、推進、動力、生命保障、低溫儲存和管理等其他月面系統(tǒng)，是一種復雜的技術體系。

3）在人類最終發(fā)現(xiàn)、確定月球上有水之前，最重要、最為可行的月球資源原位利用應該就是從月壤中的氧載體礦物原位制氧。甲烷的氣-固相碳熱還原工藝可作為我國先期研究、驗證的月球原位制氧工藝。

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（編輯：閆德葵）

Progress and prospects of lunar resource in-situ utilization

YAN Shi1, CHEN Hui2, YUAN Yong2, WANG Xudong3

(1. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109; China; 3. Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China)

It is quite important in human lunar exploration missionsto make products and provide services based on the moon’s abundant resources. The purpose, the steps, the achievements and especially, the oxygen production in the NASA’s lunar in-situ resource utilization project are introduced in this paper. Some suggestions on our country’s future lunar in-situ resource utilization project are made.

lunar exploration; in-situ resource utilization; oxygen production

V474.3

A

1673-1379(2017)02-0120-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.002

2016-12-15；

2017-03-21

總裝備部預先研究項目“載人月球基地概念和總體技術研究”（編號：030101）

閻師（1981—），男，碩士學位，主要從事深空探測研究工作；E-mail: 358438147@qq.com。

王旭東（1974—），男，博士學位，教授，主要從事表面科學與技術研究；E-mail: xdwang@ustb.edu.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544