近日，我國正式公布了載人月球探測任務(wù)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”。我國的探月工程計劃于2028年前后發(fā)射嫦娥八號，將構(gòu)建國際月球科研站基本型，并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(fā)月球資源，新一輪探月熱潮已經(jīng)開啟。
新一輪探月熱潮
礦物資源是指經(jīng)過地質(zhì)成礦作用形成于地下或露于地表、具有開發(fā)利用價值的礦物或元素集合體。礦物資源是人類社會發(fā)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(fā)利用月球資源已成為新的科技競爭制高點。
我國近日正式公布了載人月球探測任務(wù)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克月球樣品后，我國于2022年正式啟動了探月四期工程——將于2024年發(fā)射嫦娥六號，實現(xiàn)月背采樣返回；計劃2026年前后發(fā)射嫦娥七號，開展月球南極環(huán)境與資源勘查；計劃2028年前后發(fā)射嫦娥八號，構(gòu)建國際月球科研站基本型，并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(fā)計劃，掀起了新一輪探月熱潮。2017年，美國批準(zhǔn)啟動了阿爾忒彌斯（Artemis）計劃，其目標(biāo)是月球南極長期駐留和資源開采，并以此為踏板進軍火星。截至2024年1月，該計劃已成功發(fā)射阿爾忒彌斯—I號，并完成了阿爾忒彌斯—II任務(wù)4名宇航員的選拔。本輪任務(wù)中，美國國家航空航天局采用了國際合作及私營企業(yè)聯(lián)合開展的新模式，目前澳大利亞、加拿大、意大利、日本、盧森堡、阿聯(lián)酋、英國等已相繼加入該計劃。2024年2月，美國國家航空航天局與私營企業(yè)“直覺機器”公司研發(fā)的“奧德修斯”著陸器登陸月球，這標(biāo)志著自1972年以來美國航天器重返月球。
俄羅斯、歐盟、日本、印度、以色列等也宣布或啟動了各自的探月計劃。2015年10月，時任歐洲航天局局長約翰－迪特里?！ろf爾納在第66屆國際宇航大會上首次宣布其國際月球村計劃，并在此后迅速啟動了以月壤為基材的月面3D打印建造技術(shù)攻關(guān)。2023年，俄羅斯發(fā)射了月球探測器“月亮—25”，其目標(biāo)是2035年左右在月球上建立基地、開發(fā)月球礦產(chǎn)資源。
根據(jù)聯(lián)合國《月球公約》規(guī)定，月球資源開采遵循“先到先得”規(guī)則，目前月球開發(fā)競爭趨于白熱化。正如中國航天科技集團有限公司嫦娥五號探測器系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計師楊孟飛院士所說，我國月球資源開發(fā)利用已日益緊迫、刻不容緩。
月球礦產(chǎn)資源豐富，采什么？
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、斜長巖型和磷酸鹽型5種。
（制圖：郭藝偉）
水冰：月球水冰以結(jié)合水和游離水兩種形態(tài)賦存。結(jié)合水通過化學(xué)鍵賦存于全月月壤/巖礦物組分中，其含量僅為120～180ppm，開采難度大、潛力低。游離水富集于兩極永久陰影區(qū)月壤層，含量高達10%，是水冰資源開采主要對象。月球極區(qū)可開采水冰賦存面積可達1850平方千米、估算總儲量約為3×109噸。開采水冰資源可有效解決科研站運行、航天員駐扎和生存用水需求，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后還可制造氧氣和氫氣。月球上沒有大氣層，氧氣是航天員月面駐扎和生存最基本條件之一。氫氣液化后可作為優(yōu)質(zhì)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(lián)邦航天局等均將水冰資源開采列為本輪探月優(yōu)先任務(wù)。
月球水冰來源于巖漿洋演化、彗星等撞擊帶入和太陽風(fēng)注入。就游離水冰而言，月表極端低溫、超高真空環(huán)境導(dǎo)致其只能以冰和水汽兩種相態(tài)賦存。地質(zhì)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、高溫升華、低溫凝華等復(fù)雜作用，最后在月壤層特定深度富集形成水冰資源層。開采過程中，儲層中的水冰受到溫度擾動極易升華相變，進而改變局部區(qū)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(tài)轉(zhuǎn)化。同時，開采過程導(dǎo)致的月壤孔隙結(jié)構(gòu)演化、局部溫度和真空度變化導(dǎo)致的溫壓梯度，均會誘使升華后的水汽逃逸。當(dāng)前世界各國均在積極研發(fā)月球水冰資源開采技術(shù)及裝備。
氦-3：氦-3是月球氣體型資源的典型代表，以吸附方式賦存于月壤顆粒中。作為氦的同位素，氦-3包含一個中子和兩個質(zhì)子，能夠在核聚變反應(yīng)中生成巨大能量但不產(chǎn)生中子輻射。相較于其他核聚變材料，氦-3具有清潔、高效、可控性強等優(yōu)點，是未來可控核聚變的理想燃料。同時，由于特殊的超流性、穩(wěn)定性、非輻射性等特征，氦-3還廣泛用于核磁共振造影、超低溫制冷、中子探測器制造、核電站安全檢測、核爆及隱藏核材料探測等國防、航天航空、醫(yī)療和低溫物理等領(lǐng)域。然而，地球上氦-3儲量極為稀缺，僅有500千克左右，這導(dǎo)致其價格高達每千克600萬美元。
相較于地球上的珍稀性，月球上氦-3儲量極為豐富。氦-3來源于太陽內(nèi)部核聚變、并以高能粒子形式通過太陽風(fēng)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(fēng)能夠直射月球表面并將氦-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(qū)甚至可達-250℃。極低溫環(huán)境有效促進了氦-3在月壤層中吸附，并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(jīng)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。嫦娥五號采樣返回后，中國科學(xué)院在月壤顆粒非晶體玻璃質(zhì)中首次發(fā)現(xiàn)了直徑5～25納米的氦氣泡，并受此啟發(fā)提出了氦-3開采的新思路。
鈦鐵礦：鈦鐵礦通過化學(xué)或物理手段提煉后可獲得鐵、鈦金屬和氧氣，為月球科研站建設(shè)和航天員生存提供必需原料。同時，鈦鐵礦與氫氣通過化學(xué)反應(yīng)（氫還原法）還可以生成水，是除了水冰開采外，解決月球用水需求的最主要途徑。月海玄武巖富含鐵、鈦等元素，探測表明其鈦鐵礦含量最高可達30%，初估質(zhì)量約為1100萬億～2000萬億噸，是當(dāng)前月球上開采需求和潛力最大的礦物之一。中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所曾經(jīng)做過估算，只需在月海區(qū)域40厘米深度范圍內(nèi)開采200立方米月壤，即可提煉10噸鈦鐵礦、生成1噸水。
此外，月球高地斜長巖中富集硅、鋁、鈣等元素，對應(yīng)氧化物含量分別高達45%、34%和20%；克里普巖中含有大量鉀、磷、稀土和放射性元素，初估稀土元素儲量約為225億～450億噸、鈾儲量高達50億噸，均遠高于地球儲量。開采這些礦產(chǎn)資源除了能夠供給月球基地建設(shè)、日常運維和保障航天員生存外，還可以有效補足地球資源的短缺。
月球采礦難度巨大，怎么做？
盡管月球上礦產(chǎn)資源儲量豐富、開采潛力誘人，但其開采相較于地球采礦有巨大難度。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(huán)境，導(dǎo)致月壤層呈現(xiàn)出特殊的物理力學(xué)響應(yīng)和獨特的月壤—機構(gòu)相互作用，也對機械結(jié)構(gòu)、材料性能提出了極高挑戰(zhàn)。此外，月表廣泛分布表面鋒利的超細粒月塵，極易吸附、磨蝕機械結(jié)構(gòu)和引發(fā)航天員呼吸系統(tǒng)損傷、神經(jīng)炎癥。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(fā)的“逆沖斷層”導(dǎo)致月震頻現(xiàn)，強度可達5級～6級，持續(xù)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，是航天員允許承受值的6倍。
受月面極端環(huán)境、地月運輸成本等影響，月球采礦具備獨特的工程特征。首先，月球采礦必須從選址、方案設(shè)計、設(shè)備研制、原位開采等環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮小重力、超真空、極端溫度、隕石沖擊、月震、輻射等極端環(huán)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(guī)模運輸能源、材料是不現(xiàn)實的，必須盡最大可能原位利用月球資源，實現(xiàn)月面物資自給。最后，月球采礦必須實現(xiàn)無人化、智能化，開采設(shè)備需一機多能、多機協(xié)同，盡可能降低地面發(fā)射數(shù)量與成本。
月表可開采資源均賦存于月壤/月巖地層中，月球采礦是典型的多資源共采問題。近年來，筆者團隊充分發(fā)揮中國礦業(yè)大學(xué)在采礦領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，針對國家月球基地建設(shè)與礦物資源開采重大需求，統(tǒng)籌考慮月表極端環(huán)境影響及月面工程特性需求，構(gòu)建了“月球基地—資源智能化協(xié)同建采”技術(shù)體系。該技術(shù)以“智能化協(xié)同建采”為基本理念，依托多功能智能機器人，通過多機協(xié)同方式同步開展月球基地建設(shè)與礦物開采，以最小的工藝代價和設(shè)備投入，同步實現(xiàn)勘探評估、基地建設(shè)與礦物開采三大工程任務(wù)，可達到多贏的工程效果。
當(dāng)前世界各國月球采礦技術(shù)體系和基礎(chǔ)理論研究均處于起步階段，還有諸多難題亟待攻克。與月球初探階段“輕型荷載、科學(xué)探測”有所區(qū)別，月球采礦以“重型機具、工程建采”為主，呈現(xiàn)出開采機器自重更大、機—壤作用更顯著、月壤屈服破壞更復(fù)雜等特點。當(dāng)前亟須開展科研攻關(guān)，系統(tǒng)獲取原位月表環(huán)境下月壤/巖力學(xué)響應(yīng)。其次，月球采礦涉及場地加固、邊坡支護等問題，其核心是月面建筑材料供應(yīng)。月壤是月面儲量最大的潛在建筑原材料，研發(fā)月面極端環(huán)境下的月壤原位固化成型方法及支護技術(shù)體系，可有效解決月面建筑材料難題。
此外，月球水冰資源及月壤/巖組分礦物的開采、分離與純化方法是當(dāng)前月球采礦需要攻關(guān)的核心難題。高緯度沖擊坑內(nèi)永久陰影區(qū)的霜凍層及下部月壤層中的水冰富集層是目前月球上開采潛力最大的水冰資源。超真空和極端溫度環(huán)境下，水冰呈現(xiàn)出顯著不同于地表的賦存及逃逸特征，對此目前已提出了“溫控貫入開采”等多種開采方法。月壤/巖組分礦物的原位分離純化是地質(zhì)演化逆過程，月表小重力、超真空和極端溫度環(huán)境對資源的分離純化工藝的影響目前也還不明確。
月球采礦技術(shù)從實驗室走向工程應(yīng)用前，必須經(jīng)過大規(guī)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(huán)境地面模擬與大型月面工程結(jié)構(gòu)“時空壓縮”。中國礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室目前已研制成功兩套核心重器，成功解決了以上難題。第一套是“小重力場等深空環(huán)境星壤工程物理模擬試驗系統(tǒng)”，該系統(tǒng)在國際上首次實現(xiàn)了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃溫度環(huán)境的長時間、高精度模擬，構(gòu)建了月表極端環(huán)境地面模擬平臺。第二套是“400gt超重力離心模擬試驗系統(tǒng)”，該系統(tǒng)基于高速旋轉(zhuǎn)營造離心力場，為揭示原位開采響應(yīng)及災(zāi)變過程提供了可靠平臺。
