月壤是月球矿物资源的重要载体。 中国矿业大学供图
近日，我国正式公布了载人月球探测任务新飞行器名称，新一代载人飞船命名为“梦舟”，月面着陆器命名为“揽月”。我国的探月工程计划于2028年前后发射嫦娥八号，将构建国际月球科研站基本型，并开展资源利用试验验证。月球上有丰富的金属、非金属及气体资源，围绕着探测、开发月球资源，新一轮探月热潮已经开启。
新一轮探月热潮
矿物资源是指经过地质成矿作用形成于地下或露于地表、具有开发利用价值的矿物或元素集合体。矿物资源是人类社会发展的命脉，近年来，随着地球资源消耗加剧和部分资源逐渐耗竭，开发利用月球资源已成为新的科技竞争制高点。
我国近日正式公布了载人月球探测任务新飞行器名称，新一代载人飞船命名为“梦舟”，月面着陆器命名为“揽月”。与此同时，我国的探月工程还有新消息，继2020年12月17日嫦娥五号成功带回1731克月球样品后，我国于2022年正式启动了探月四期工程——将于2024年发射嫦娥六号，实现月背采样返回；计划2026年前后发射嫦娥七号，开展月球南极环境与资源勘查；计划2028年前后发射嫦娥八号，构建国际月球科研站基本型，并开展资源利用试验验证。
国际上，各大国也纷纷启动月球探测开发计划，掀起了新一轮探月热潮。2017年，美国批准启动了阿尔忒弥斯（Artem九宮格is）计划，其目标是月球南极长期驻留和资源开采，并以此为踏板時租进军火星。截至2024年1月，该计划已成功发射阿尔忒弥斯—I号，并完成了阿尔忒弥斯—II任务4名宇航员的选拔。本轮任务中，美国国家航空航天局采用了国际合作及私营企业联合开展的新模式，目前澳大利亚、加拿大、意大利、日本、卢森堡、阿联酋、英国等已相继加入该计划。2024年2月，美国国家航空航天局与私营企业“直觉机器”公司研发的“奥德修斯”着陆器登陆月球，这标志着自1972年以来美国航天器重返月球。
俄罗斯、欧盟、日本、印度、以色列等也宣布或启动了各自的探月计划。2015年10月，时任欧洲航天局局长约翰－迪特里希·韦尔纳在第66届国际宇航大会上首次宣布其国际月球村计划，并在此后迅速启动了以月壤为基材的月面3D打印建造技术攻关。2023年，俄罗斯发射了月球探测器“月亮—25”，其目标是2035年左右在月球上建立基地、开发月球矿产资源。
根据联合国《月球公约》规定，月球资源开采遵循“先到先得”规则，目前月球开发竞争趋于白热化。正如中国航天科技集团有限公司嫦娥五号探测器系统总指挥兼总设计师杨孟飞院士所说，我国月球资源开发利用已日益紧迫、刻不容缓。
月球矿产资源丰富，采什么？
月球上蕴含丰富的金属、非金属及气体资源。目前探测表明，月球资源可分为水冰型、气体型、钛铁矿型、斜长岩型和磷酸盐型5种。
水冰：月球水冰以结合水和游离水两种形态赋存。结合水通过化学键赋存于全月月壤/岩矿物组分中，其含量仅为120～180ppm，开采难度大、潜力低。游离水富集于两极永久阴影区月壤层，含量高达10%，是水冰资源开采主要对象。月球极区可开采水冰赋存面积可达1850平方千米、估算总储量约为3×109吨。开采水冰资源可小班教學有效解决科研站运行、航天员驻扎和生存用水需求，是月球科研站运行和长期驻人的前提条件。水冰通过电解等手段二次加工后还可制造氧气和氢气。月球上没有大气层，氧气是航天员月面驻扎和生存最基本条件之一。氢气液化后可作为优质火箭燃料，有效解决月面运输、地月往返及向火星等更远星球飞行的燃料需求。因此，中国国家航天局、美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局等均将水冰资源开采列为本轮探月优先任务。
月球水冰来源于岩浆洋演化、彗星等撞击带入和太阳风注入。就游离水冰而言，月表极端低温、超高真空环境导致其只能以冰和水汽两种相态赋存。地质演化过程中，不同来源的水冰通过冷阱捕获、温度梯度迁移、月壤层沉积、高温升华、低温凝华等复杂作用，最后在月壤层特定深度富集形成水冰资源层。开采过程中，储层中的水冰受到温度扰动极易升华相变，进而改变局部区域的真空度；温度和真空度的变化亦会进一步影响水冰相态转化。同时，开采过程导致的月壤孔隙结构演化、局部温度和真空度变化导致的温压梯度，均会诱使升华后的水汽逃逸。当前世界各国均在积极研发月球水冰资源开采技术及装备。
氦-3：氦-3是月球气体型资源的典型代表，以吸附方式赋存于月壤颗粒中。作为氦的同位素，氦-3包含一个中子和两个质子，能够在核聚变反应中生成巨大能量但不产生中子辐射。相较于其他核聚变材料，氦-3具有清洁、高效、可控性强等优点，是未来可控核聚变的理想燃料。同时，由于特殊的超流性、稳定性、非辐射性等特征，氦-3还广泛用于核磁共振造影、超低温制冷、中子探测器制造、核电站安全检测、核爆及隐藏核材料小樹屋探测等国防、航天航空、医疗和低温物理等领域。然而，地球上氦-3储量极为稀缺，仅有500千克左右，这导致其价格高达每千克600万美元。
相较于地球上的珍稀性，月球上氦-3储量极为丰富。氦-3来源于太阳内部核聚变、并以高能粒子形式通过太阳风向宇宙扩散。月球没有大气层，其磁场不足地球的千分之一，使得太阳风能够直射月球表面并将氦-3注入月壤层。同时，月表温度在月夜最低可达-180℃，极地永久阴影区甚至可达-250℃。极低温环境有效促进了氦-3在月壤层中吸附，并阻止其脱附和向太空逃逸，进而使得其在月表富集。前期通过光谱仪等手段已经探明，月球上氦-3的品位约为30μg/g、全月氦-3换算储量高达110万吨，可作为清洁核原料供地球使用约1万年。嫦娥五号采样返回后，中国科学院在月壤颗粒非晶体玻璃质中首次发现了直径5～25纳米的氦气泡，并受此启发提出了氦-3开采的新思路。
钛铁矿：钛铁矿通过化学或物理手段提炼后可获得铁、钛金属和氧气，为月球科研站建设和航天员生存提供必需原料。同时，钛铁矿与氢气通过化学反应（氢还原法）还可以生成水，是除了水冰开采外，解决月球用水需求的最主要途径。月海玄九宮格武岩富含铁、钛等元素，探测表明其钛铁矿含量最高可达30%，初估质量约为1100万亿～2000万亿吨，是当前月球上开采需求和潜力最大的矿物之一。中国科学院地球化学研究所曾经做过估算，只需在月海区域40厘米深度范围内开采200立方米月壤，即可提炼10吨钛铁矿、生成1吨水。
此外，月球高地斜长岩中富集硅、铝、钙等元素，对应氧化物含量分别高达45%、34%和20%；克里普岩中含有大量钾、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素储量约为225亿～450亿吨、铀储量高达50亿吨，均远高于地球储量。开采这些矿产资源除了能够供给月球基地建设、日常运维和保障航天员生存外，还可以有效补足地球资源的短缺。
月球采矿难度巨大，怎么做？
尽管月球上矿产资源储量丰富、开采潜力诱人，但其开采相较于地球采矿有巨大难度。月表重力仅为地球的1/6，真空度高达10-14Torr，白天温度可达127℃、夜间低至-250℃。小重力、超真空和极端温度环境，导致月壤层呈现出特殊的物理力学响应和独特的月壤—机构相互作用，也对小樹屋机械结构、材料性能提出了极高挑战。此外，月表广泛分布表面锋利的超细粒月尘，极易吸附、磨蚀机械结构和引发航天员呼吸系统损伤、神经炎症。月表频繁遭遇陨石撞击，速舞蹈場地度高达每秒20千米；月核冷却引发的“逆冲断层”导致月震频现，强度可达5级～6级，持续时间达10分钟、平均频率约每年500次；月表宇宙辐射强度高达300mSv/a，是航天员允许承受值的6倍。
受月面极端环境、地月运输成本等影响，月球采矿具备独特的工程特征。首先，月球采矿必须从选址、方案设计、设备研制、原位开采等环节统筹考虑小重力、超真空、极端温度、陨石冲击、月震、辐射等极端环境的直接影响和潜在威胁。其次，地月运输成本高达每千克50000美元～90000美元，从地面大规模运输能源、材料是不现实的，必须尽最大可能原位利用月球资源，实现月面物资自给。最后，月球采矿必须实现无人化、智能化，开采设备需一机多能、多机协同，尽可能降低地面发射数量与成本。
月表可开采资源均赋存于月壤/月岩地层中，月球采矿是典型的多资源共采问题。近年来，笔者团队充分发挥中国矿业大学在采矿领域的技术优势，针对国家月球基地建设与矿物资源开采重大需求，统筹考虑月表极端环境影响及月面工程特性需求，构建了“月球基地—资源智能化协同建采”技术体系。该技术以“智能化协同建采”为基本理念，依托多功能智能机器人，通过多机协同方式同步开展月球基地建设与矿物开采，以最小的工艺代价和设备投入，同步实现勘探评估、基地建设与矿物开采三大工程任务，可达到多赢的工程效果。
当前世界各国月球采矿技术体系和基础理论研究均处于起步阶段，还有诸多难题亟待攻克。与月球初探阶段“轻型荷载、科学探测”有所小樹屋区别，月球采矿以“重型机具、工程建采”为主，呈现出开采机器自重更大、机—壤作用更显著、月壤屈服破坏更复杂等特点。当前亟须开展科研攻关，系统获取原位月表环境下月壤/岩力学响应。其次，月球采矿涉及场地加固、边坡支护等问题，其核心是月面建筑材料供应。月壤是月面储量最大的潜在建筑原材料，研发月面极端环境下的月壤原位固化成型方法及支护技术体系，可有效解决月面建筑材料难题。
此外，月球水冰资源及月壤/岩组分矿物的开采、分离与纯化方法是当前月球采矿需要攻关的核心难题。高纬度冲击坑内永久阴影区的霜冻层及下部月壤层中的水冰富集层是目前月球上开采潜力最大的水冰资源。超真空和极端温度环境下，水冰呈现出显著不同于地表的赋存及逃逸特征，对此目前已提出了“温控贯入开采”等多种开采方法。月壤/岩组分矿物的原位分离纯化是地质演化逆过程，月表小重力、超真空和极端温度环境对资源的分离纯化工艺的影响目前也还不明确。
月球采矿技术从实验室走向工程应用前，必须经过大规模地面物理模型试验和验证，以确保其可靠性。开展此类试验需要解决两个“卡脖子”难题——月表极端环境地面模拟与大型月面工程结构“时空压缩”。中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室目前已研制成功两套核心重器，成功解决了以上难题。第一套是“小重力场等深空环境星壤工程物理模拟试验系统”，该系统在国际上首次实现了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃温度环境的长时间、高精度模拟，构建了月表极端环境地面模拟平台。第二套是“400gt超重力离心模拟试验系统”，该系统基于高速旋转营造离心力场，为揭示原位开采响应及灾变过程提供了可靠平台。
（作者：李瑞林，系中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室副教授）
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