月壤是月球礦物資源的重要載體。 中國礦業大學供圖
近日，我國正式公佈了載人月球探測任務新飛行器名稱，新一代載人飛船命名為“夢舟”，月面著陸器命名為“攬月”。我國的探月工程計畫於2028年前後發射嫦娥八號，將構建國際月球科研站基本型，並開展資源利用試驗驗證。月球上有豐富的金屬、非金屬及氣體資源，圍繞著探測、開發月球資源，新一輪探月熱潮已經開啟。
新一輪探月熱潮
礦物資源是指經過地質成礦作用形成於地下或露於地表、具有開發利用價值的礦物或元素集合體。礦物資源是人類社會發展的命脈，近年來，隨著地球資源消耗加劇和部分資源逐漸耗竭，開發利用月球資源已成為新的科技競爭制高點。
我國近日正式公佈了載人月球探測任務新飛行器名稱，新一代載人飛船命名為“夢舟”，月面著陸器命名為“攬月”。與此同時，我國的探月工程還有新消息，繼2020年12月17日嫦娥五號成功帶回1731克月球樣品後，我國於2022年正式啟動了探月四期工程——將於2024年發射嫦娥六號，實現月背採樣返回；計畫2026年前後發射嫦娥七號，開展月球南極環境與資源勘查；計畫2028年前後發射嫦娥八號，構建國際月球科研站基本型，並開展資源利用試驗驗證。
國際上，各大國也紛紛啟動月球探測開發計畫，掀起了新一輪探月熱潮。2017年，美國批准啟動了阿爾忒彌斯（Artemis）計畫，其目標是月球南極長期駐留和資源開採，並以此為包養網踏板進軍火星。截至2024年1月，該計畫已成功發射阿爾忒彌斯—I號，並完成了阿爾忒彌斯—II任務4名宇航員的選拔。本輪任務中，美國國家航空航天局採用了國際合作及私營企業聯合開展包養網的新模式，目前澳大利亞、加拿大、義大利、日本、盧森堡、阿聯酋、英國等已相繼加入該計畫。2024年2月，美國國家航空航天局與私營企業“直覺機器”公司研發的“奧德修斯”著陸器登陸月球，這標誌著自1972年以來美國航天器重返月球。
俄羅斯、歐盟、日本、印度、以色列等也宣佈或啟動了各自的探月計畫。2015年10月，時任歐洲航天局局長約翰－迪特裡希·韋爾納在第66屆國際宇航大會上首次宣佈其國際月球村計畫，並在此後迅速啟動了以月壤為基材的月面3D列印建造技術攻關。2023年，俄羅斯發射了月球探測器“月亮—25”，其目標是2035年左右在月球上建立基地、開發月球礦產資源。
根據聯合國《月球公約》規定，月球資源開採遵循“先到先得”規則，目前月球開發競爭趨於白熱化。正如中國航太科技集團有限公司嫦娥五號探測器系統總指揮兼總設計師楊孟飛院士所說，我國月球資源開發利用已日益緊迫、刻不容緩。
月球礦產資源豐富，采什麼？
月球上蘊含豐富的金屬、非金屬及氣體資源。目前探測表明，月球資源可分為水冰型、氣體型、鈦鐵礦型、斜長岩型和磷酸鹽型5種。
水冰：月球水冰以結合水和游離水兩種形態賦存。結合水通過化學鍵賦存于全月月壤/岩礦物組分中，其含量僅為120～180ppm，開採難度大、潛力低。游離水富集于兩極永久陰影區月壤層，含量高達10%，是水冰資源開採主要對象。月球極區可開採水冰賦存面積可達1850平方千米、估算總儲量約為3×109噸。開採水冰資源可有效解決科研站運行、太空人駐紮和生存用水需求，是月球科研站運行和長期駐人的前提條件。水冰通過電解等手段二次加工後還可製造氧氣和氫氣。月球上沒有大氣層，氧氣是太空人月面駐紮和生存最基本條件之一。氫氣液化後可作為優質火箭燃料，有效解決月面運輸、地月往返及向火星等更遠星球飛行的燃料需求。因此，中國國家航天局、美國國家航空航天局、歐洲航天局、俄羅斯聯邦航天局等均將水冰資源開採列為本輪探月優先任務。
月球水冰來源於岩漿洋演化、彗星等撞擊帶入和太陽風注入。就游離水冰而言，月表極端低溫、超高真空環境導致其只能以冰和水汽兩種相態賦存。地質演化過程中，不同來源的水冰通過冷阱捕獲、溫度梯度遷移、月壤層沉積、高溫昇華、低溫凝華等複雜作用，最後在月壤層特定深度富集形成水冰資源層。開採過程中，儲層中的水冰受到溫度擾動極易昇華相變，進而改變局部區域的真空度；溫度和真空度的變化亦會進一步影響水冰相態轉化。同時，開採過程導致的月壤孔隙結構演化、局部溫度和真空度變化導致的溫壓梯度，均會誘使昇華後的水汽逃逸。當前世界各國均在積極研發月球水冰資源開採技術及裝備。
氦-3：氦-3是月球氣體型資源的典型代表，以吸附方式賦存於月壤顆粒中。作為氦的同位素，氦-3包含一個中子和兩個質子，能夠在核聚變反應中生成巨大能量但不產生中子輻射。相較於其他核聚變材料，氦-3具有清潔、高效、可控性強等優點，是未來可控核聚變的理想燃料。同時，由於特殊的超流性、穩定性、非輻射性等特徵，氦-3還廣泛用於核磁共振造影、超低溫製冷、中子探測器製造、核電站安全檢測、核爆及隱藏核材料探測等國防、航太航空、醫療和低溫物理等領域。然而，地球上氦-3儲量極為稀缺，僅有500千克左右，這導致其價格高達每千克600萬美元。
相較於地球上的珍稀性，月球上氦-3儲量極為豐富。氦-3來源於太陽內部核聚變、並以高能粒子形式通過太陽風向宇宙擴散。月球沒有大氣層，其磁場不足地球的千分之一，使得太陽風能夠直射月球表面並將氦-3注入月壤層。同時，月表溫度在月夜最低可達-180℃，極地永久陰影區甚至可達-250℃。極低溫環境有效促進了氦-3在月壤層中吸附，並阻止其脫附和向太空逃逸，進而使得其在月表富集。前期通過光譜儀等手段已經探明，月球上氦-3的品位約為30μg/g、全月氦-3換算儲量高達110萬噸，可作為清潔核原料供地球使用約1萬年。嫦娥五號採樣返回後，中國科學院在月壤顆粒非晶體玻璃質中首次發現了直徑5～25納米的氦氣泡，並受此啟發提出了氦-3開採的新思路。
鈦鐵礦：鈦鐵礦通過化學或物理手段提煉後可獲得鐵、鈦金屬和氧氣，為月球科研站建設和太空人生存提供必需原料。同時，鈦鐵礦與氫氣通過化學反應（氫還原法）還可以生成水，是除了水冰開採外，解決月球用水需求的最主要途徑。月海玄武岩富含鐵、鈦等元素，探測表明其鈦鐵礦含量最高可達30%，初估品質約為1100萬億～2000萬億噸，是當前月球上開採需求和潛力最大的礦物之一。中國科學院地球化學研究所曾經做過估算，只需在月海區域40釐米深度範圍內開採200立方米月壤，即可提煉10噸鈦鐵礦、生成1噸水。
此外，月球高地斜長岩中富集矽、鋁、鈣等元素，對應氧化物含量分別高達45%、34%和20%；克裡普岩中含有大量鉀、磷、稀土和放射性元素，初估稀土包養元素儲量約為225億～450億噸、鈾儲量高達50億噸，均遠高於地球儲量。開採這些礦產資源除了能夠供給月球基地建設、日常運維和保障太空人生存外，還可以有效補足地球資源的短缺。
月球採礦難度巨大，怎麼做？
儘管月球上礦產資源儲量豐富、開採潛力誘人，但其開採相較於地球採礦有巨大難度。月表重力僅為地球的1/6，真空度高達10-14Torr，白天溫度可達127℃、夜間低至-250℃。小重力、超真空和極端溫度環境，導致月壤層呈現出特殊的物理力學回應和獨特的月壤—機構相互作用，也對機械結構、材料性能提出了極高挑戰。此外，月表廣泛分佈表面鋒利的超細粒月塵，極易吸附、磨蝕機械結構和引發太空人呼吸系統損傷、神經炎症。月表頻繁遭遇隕石撞擊，速度高達每秒20千米；月核冷卻引發的“逆沖斷層”導致月震頻現，強度可達5級～6級，持續時間達10分鐘、平均頻率約每年500次；月表宇宙輻射強度高達300mSv/a，是太空人允許承受值的6倍。
受月面極端環境、地月運輸成本等影響，月球採礦具備獨特的工程特徵。首先，月球採礦必須從選址、方案設計、設備研製、原位開採等環節統籌考慮小重力、超真空、極端溫度、隕石衝擊、月震、輻射等極端環境的直接影響和潛在威脅。其次，地月運輸成本高達每千克50000美元～90000美元，從地面大規模運輸能源、材料是不現實的，必須盡最大可能原位利用月球資源，實現月面物資自給。最後，月球採礦必須實現無人化、智慧化，開採設備需一機多能、多機協同，盡可能降低地面發射數量與成本。
月表可開採資源均賦存於月壤/月岩地層中，月球採礦是典型的多資源共采問題。近年來，筆者團隊充分發揮包養網 花園中國礦業大學在採礦領域的技術優勢，針對國家月球基地建設與礦物資源開採重大需求，統籌考慮月表極端環境影響及月面工程特性需求，構建了“月球基地—資源智慧化協同建采”技術體系。該技術以“智慧化協同建采”為基本理念，依託多功能智慧型機器人，通過多機協同方式同步開展月球基地建設與礦物開採，以最小的工藝代價和設備投入，同步實現勘探評估、基地建設與礦物開採三大工程任務，可達到多贏的工程效果。
當前世界各國月球採礦技術體系和基礎理論研究均處於起步階段，還有諸多難題亟待攻克。與月球初探階段“輕型荷載、科學探測”有所區別，月球採礦以“重型機具、工程建采”為主，呈現出開採機器自重更大、機—壤作用更顯著、月壤屈服破壞更複雜等特點。當前亟須開展科研攻關，系統獲取原位月表環境下月壤/岩力學回應。其次，月球採礦涉及場地加固、邊坡支護等問題，其核心是月面建築材料供應。月壤是月面儲量最大的潛在建築原材料，研發月面極端環境下的月壤原位固化成型方法及支護技術體系，可有效解決月面建築材料難題。
此外，月球水冰資源及月壤/岩組分礦物的開採、分離與純化方法是當前月球採礦需要攻關的核心難題。高緯度衝擊坑內永久陰影區的霜凍層及下部月壤層中的水冰富集層是目前月球上開採潛力最大的水冰資源。超真空和極端溫度環境下，水冰呈現出顯著不同於地表的賦存及逃逸特徵，對此目前已提出了“溫控貫入開採”等多種開採方法。月壤/岩組分礦物的原位分離純化是地質演化逆過程，月表小重力、超真空和極端溫度環境對資源的分離純化工藝的影響目前也還不明確。
月球採礦技術從實驗室走向工程應用前，必須經過大規模地面物理模型試驗和驗證，以確保其可靠性。開展此類試驗需要解決兩個“卡脖子”難題——月表極端環境地面類比與大型月面工程結構“時空壓縮”。中國礦業大學深地工程智慧建造與健康運維全國重點實驗室目前已研製成功兩套核心重器，成功解決了以上難題。第一套是“小重力場等深空環境星壤工程物理類比試驗系統”，該系統在國際上首次實現了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃溫度環境的長時間、高精度模擬，構建了月表極端環境地面模擬平臺。第二套是“400gt超重力離心類比試驗系統”，該系統基於高速旋轉營造離心力場，為揭示原位開採回應及災變過程提供了可靠平臺。
（作者：李瑞林，系中國礦業大學深地工程智慧建造與健康運維全國重點實驗室副教授）