摘要：

月球具有豐富的水資源，其開(kāi)發(fā)利用是月球科研站及月球基地建設(shè)與運(yùn)行的重要保障，也是目前各國(guó)月球探測(cè)計(jì)劃的重要研究領(lǐng)域。綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)外月球水冰資源的相關(guān)研究論文、會(huì)議、報(bào)告，綜述了對(duì)月球水資源的含量分布、賦存形式、開(kāi)采方案的研究現(xiàn)狀，討論了國(guó)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(kāi)采方案，建議未來(lái)加強(qiáng)開(kāi)展國(guó)際合作，建設(shè)月球基地，開(kāi)展月球水冰資源原位探測(cè)和實(shí)地開(kāi)采等試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：

月球水冰； 月球水資源開(kāi)采； 月球探測(cè)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.013

文章編號(hào)：1006-0081（2025）02-0072-06

0 引 言

面臨地球水資源日益匱乏的問(wèn)題，探索月球水資源，有助于緩解地球上持續(xù)增長(zhǎng)的水資源需求，對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要研究?jī)r(jià)值。除此之外，月球水資源的研究可為人類(lèi)深空基地建設(shè)提供生態(tài)支撐，對(duì)探索太陽(yáng)系中其他行星和天體的資源潛力具有指導(dǎo)意義，并對(duì)未來(lái)在其他行星上的資源開(kāi)發(fā)提供重要的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。基于中國(guó)探月計(jì)劃“嫦娥工程”，嫦娥五號(hào)帶回“月球礦物光譜儀”的探測(cè)數(shù)據(jù)，中國(guó)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(duì)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(kāi)采利用進(jìn)行了綜述，可為未來(lái)月球水資源綜合開(kāi)發(fā)研究提供參考。

1 研究背景

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

水作為生命之源，是開(kāi)展月球探索的重要支撐保障，若月球上存在水資源，對(duì)月球探索有極大促進(jìn)作用，但對(duì)月球是否存在水資源一直存在較大爭(zhēng)議。月球表面無(wú)大氣層保護(hù)，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(huì)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(jī)物［1］。諾貝爾獎(jiǎng)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(huì)一直保存下來(lái)，或者氣態(tài)形式的水來(lái)到這些陰影區(qū)中時(shí)，也會(huì)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(guó)克萊門(mén)汀探測(cè)器檢測(cè)到月球南極存在固態(tài)冰信號(hào)，但由于粗糙的月表對(duì)探測(cè)信號(hào)有一定的干擾作用，同時(shí)又缺乏其他更多有力的證據(jù)，因此科學(xué)家們無(wú)法確定該檢測(cè)信號(hào)就是水冰信號(hào)。2009年，“月球隕石坑觀測(cè)和傳感衛(wèi)星（LCROSS）”利用近紅外光譜儀，探測(cè)到動(dòng)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(cè)到蒸汽和碎片云中OH-的發(fā)射譜線，這些結(jié)果證實(shí)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(guó)外對(duì)于月球內(nèi)部水的研究主要基于對(duì)月球樣品的檢測(cè)展開(kāi)。美國(guó)Apollo和俄羅斯Luna計(jì)劃帶回了約382 kg的月壤樣品，但經(jīng)檢查，這些樣品中并無(wú)地球上常見(jiàn)的含水化合物，因此直到20世紀(jì)末，月球普遍被認(rèn)為是無(wú)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(cè)到水，含量可達(dá)46×10-6。SIMS是離子探針，具有極低的檢測(cè)限，可達(dá)約5×10-6，為月球樣品水含量的精確測(cè)定提供了可能。Hauri 等［7］用 SIMS 檢測(cè)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(guó)外對(duì)于月球內(nèi)部水的研究開(kāi)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(zhǎng)雷達(dá)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(duì)月船一號(hào)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(qiáng)烈，進(jìn)一步證明月球有水資源存在，并且在太陽(yáng)風(fēng)作用下，月球兩極區(qū)域形成水是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。Spudis等［10-11］也分析了月船一號(hào)的探測(cè)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(bào)告了月球南極附近沙克爾頓隕石坑的第一次軌道雷達(dá)測(cè)量，根據(jù)Mini-RF觀測(cè)表明，隕石坑壁上的CPR（圓極化比）呈斑塊狀、非均質(zhì)增強(qiáng)，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(bào)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(xiàng)研究進(jìn)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(xiàng)探測(cè)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(píng)估月球水資源的含量也是一項(xiàng)重要的課題。在月船一號(hào)傳回的雷達(dá)數(shù)據(jù)中，Spudis等［10］認(rèn)為月球北極區(qū)有超過(guò)30個(gè)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(dá)2～3 m，美國(guó)航空航天局據(jù)此估計(jì)月球北極水冰儲(chǔ)量至少為6億t。Cannon等［15］創(chuàng)建了一個(gè)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(dá)10億t。Feldman等［16-18］分析了月球勘探者號(hào)測(cè)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(dá)1 840 km2，因此估計(jì)兩極的水冰儲(chǔ)量都各達(dá)30億t。Paige等［19］估計(jì)月球南極厚度為1 m的水冰冷阱面積可達(dá)12 000 km2，因此估算這些冷阱中的水冰資源質(zhì)量可達(dá)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(jì)月壤水冰甚至可以高達(dá)1 000億t。中國(guó)科學(xué)家通過(guò)分析嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣品，發(fā)現(xiàn)月壤撞擊玻璃珠中儲(chǔ)存有高達(dá)2 700億t的由太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的水［21］。綜上所述，對(duì)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(duì)月球水資源含量進(jìn)行具體評(píng)估。

現(xiàn)階段對(duì)月壤水含量的研究中，主要的計(jì)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(hào)著陸點(diǎn)雷達(dá)探測(cè)顯示，估測(cè)著陸點(diǎn)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(cè)衛(wèi)星和紅外光譜信號(hào)，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(cè)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(yáng)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(shí)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(kāi)發(fā)是目前月球水資源開(kāi)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(lèi)。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(yùn)行的物理過(guò)程，再將上述3類(lèi)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(kāi)采利用

大量遙感監(jiān)測(cè)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(lèi)探索月球乃至探索太空的關(guān)鍵技術(shù)，因此世界各國(guó)科研人員積極開(kāi)展工作。 Prasad等［35］提出了一種用于月球水冰原位探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，證明了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的可行性。激光雷達(dá)方面，Murayama等［36］利用近紅外激光二極管研制了一種腔長(zhǎng)為5 cm的小型化腔衰蕩光譜儀（mini-CRDS），其能夠通過(guò)使用Peltier元素模塊改變諧振點(diǎn)以插入腔的自由光譜范圍（FSR）間隙，通過(guò)獨(dú)特的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在低壓（lt; 100 Pa）下測(cè)量有限數(shù)量的水蒸氣樣品。NASA的科學(xué)家Bai等［37］設(shè)計(jì)了一種激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)可產(chǎn)生波長(zhǎng)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(dú)特的聯(lián)系，該激光雷達(dá)可用于從月球和火星各自的軌道上探測(cè)水冰，從而實(shí)現(xiàn)新的科學(xué)和原位資源利用。他們還開(kāi)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(jì)，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(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)外的月球水資源開(kāi)采利用方案開(kāi)展較早，研究成果比較豐富。Sowers 等［39］提出了通過(guò)加熱開(kāi)采技術(shù)對(duì)含冰月壤進(jìn)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(guò)冷阱裝置進(jìn)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(kāi)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(duì)加熱開(kāi)采效率有重要影響：開(kāi)始加熱時(shí)，月壤表層水冰會(huì)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(huì)進(jìn)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(jìn)行處理或儲(chǔ)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(yáng)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(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也使得水冰提取效率得到提高。Kornuta等［43］對(duì)月表水冰資源綜合開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括月表開(kāi)采、月表推進(jìn)劑生產(chǎn)、機(jī)器服務(wù)和能源供給等子系統(tǒng)作業(yè)流程。綜上來(lái)看，月球水冰資源的主要開(kāi)發(fā)方法為就地加熱法和就地鉆取法。

中國(guó)在月球水資源的開(kāi)采研究上雖然起步較晚，但國(guó)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(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了光熱鉆取一體化的水冰高效利用設(shè)計(jì)方案，在收集水冰的過(guò)程中，利用鉆頭鉆進(jìn)月壤，鉆桿頂部的導(dǎo)光鏡面將外部聚光裝置匯聚的太陽(yáng)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(jiàn)圖3。國(guó)家航天局登月計(jì)劃科研人員提出了一種利用動(dòng)能穿透高效暴露月球地下水冰、利用機(jī)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(wèn)題。并從不同的探月方式出發(fā)，初步提出了中國(guó)未來(lái)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(lái)探月任務(wù)提供參考。趙嘉龍等［47］針對(duì)月球極區(qū)水冰原位資源開(kāi)采問(wèn)題，提出一種熱管陣列布局設(shè)計(jì)方法：根據(jù)水冰開(kāi)采方案給出了熱管陣列，用三維有限差分方法對(duì)熱管陣列進(jìn)行熱傳導(dǎo)數(shù)值解算；建立采水量與熱流消耗的目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)熱管陣列布局進(jìn)行優(yōu)化，迭代搜索出熱管布局的最優(yōu)解，這一設(shè)計(jì)可提高極地原位資源的采集效率。于強(qiáng)等［48］建立了月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，用于滿足鉆取及凝華裝置開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)真空低溫試驗(yàn)的需要；初步試驗(yàn)結(jié)果表明，所建立的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)階段開(kāi)展月球極區(qū)真空低溫試驗(yàn)的需求。

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

中國(guó)探月工程嫦娥計(jì)劃從2004年穩(wěn)步實(shí)施，已取得了豐富的成果。2016年提出了共建國(guó)際月球科研站（International Lunar Research Station，ILRS）的設(shè)想［51］；2019年嫦娥四號(hào)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視探測(cè)；2020年嫦娥五號(hào)成功將月壤樣品帶回，并通過(guò)原位分析進(jìn)一步證實(shí)了月球存在水資源。中國(guó)國(guó)家航天局與歐洲航天局、俄羅斯航天局積極展開(kāi)合作，結(jié)合國(guó)際上的各個(gè)探月任務(wù)，以嫦娥計(jì)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(guó)際月球科研站［30，51］，并以認(rèn)證月球水冰的存在、確定其來(lái)源為該項(xiàng)目首要目標(biāo)。

3 結(jié)論與展望

對(duì)月球樣品的分析及大量衛(wèi)星遙感探測(cè)數(shù)據(jù)表明，月球表面存在含量相當(dāng)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(kāi)采利用是目前航天探測(cè)的熱點(diǎn)，對(duì)未來(lái)月球基地的建設(shè)及其他星體的探索具有重要意義。對(duì)于月球水冰資源的主要開(kāi)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(kāi)展月球?qū)嵉卦囼?yàn)。因此國(guó)際各個(gè)航天大國(guó)爭(zhēng)相提出探月計(jì)劃，并積極開(kāi)展國(guó)際合作，以共建月球科研基地，開(kāi)展月球水資源開(kāi)采利用實(shí)地試驗(yàn)，將理論與實(shí)際結(jié)合。

綜合來(lái)看，現(xiàn)如今主要的航天計(jì)劃集中從技術(shù)研究向資源開(kāi)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(jìn)行長(zhǎng)期深入研究。在未來(lái)，探月工程應(yīng)以月球兩極陰影區(qū)為主要開(kāi)發(fā)區(qū)域，以共建月球基地為基礎(chǔ)，開(kāi)展國(guó)際合作探索，開(kāi)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(kāi)展原位取樣分析等方法證實(shí)月球水冰分布與含量，并制定因地制宜的開(kāi)發(fā)方案，實(shí)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