月球礦產資源及其原位選礦技術研究進展

范琳琳，童雄,2,3，劉洋，溫小韻，胡澤偉

1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；

2.金屬礦尾礦資源綠色綜合利用國家地方聯合工程研究中心，云南 昆明 650093；

3.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093

引言

月球是距離地球最近的天體，蘊藏了太陽系起源和演化的無窮奧秘，也是人類走向深遠空間的前哨站和試驗場[1]。人類自1959 年就對月球展開了探索，到1969 年，美國阿波羅11 號首次實現了人類登月，并帶回了一些月球表面的巖石樣本。此后，先后有6 個探測器和12 名宇航員登上月球，382 kg 月球巖石和土壤樣品被帶回地球。通過檢測發現，這些樣品中含有豐富的(Fe)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)等金屬元素，還含有釷(Th)、鈾(U)和氦(He)等稀有元素[2-3]，可作為礦產資源進行開發利用。

隨著人類對月球探索的不斷深入，開發利用月球礦產資源將其用于月球基地建設和后續太空探索已成為新期望和新課題。將月球上的礦產資源運回地球進行加工和利用理論上是可行的，但運輸成本過高，月球礦產資源原位利用乃是最經濟合適的方式。資源原位利用(ISRU)技術是指從月球表面土壤和大氣中提取金屬元素、水或其他資源，就地用于月球基地的開發建設[4-5]。要實現月球礦產資源原位高效利用，必須基于月球環境（低重力、超低溫、低氧、少水），研究探索合適的選礦技術[5-6]。選礦（礦物加工）是用物理、化學、生物等方法對天然礦物資源進行加工以獲取有用物質的科學技術，其包括分離、富集、提純、提取、深加工等。本文擬在國內外已探測的月球礦產資源類型及分布情況的基礎上，研究分析月球原位選礦的難點，總結月球選礦技術探索研究情況，對今后月球選礦技術進行展望，希望能為未來月球礦產資源的原位開發提供參考。

1 月球礦產資源

根據地質構造類型，月球表面被劃分為兩個主要的地質單元：月球高地和月海[7]。月球高地和月海表面覆蓋著一層由撞擊作用和太空風化作用形成的風化層，其主要由礦物和巖石碎屑、熔融玻璃、黏結集塊巖組成[8]。根據成分特征與成因，可將月球高地、月海和月球風化層的巖石分為三大類：月海玄武巖、KREEP巖和高地巖石[9]。

在地球上，礦產資源是指通過地質作用形成的、具有利用價值的、呈固、液、氣三態的自然資源[9]。月球礦產資源是指位于月球表面或地下的各種礦物質和化學元素。月球的礦產資源主要賦存于月球表面的玄武巖、高地巖石（斜長巖）、KREEP 巖和風化層中[8]。月球礦產資源可分為有用氣體元素、水冰型礦產資源、金屬礦產資源和非金屬礦產資源[10]。

1.1 月球的有用氣體元素

月球作為太陽風的粒子收集器，長期接受太陽的照射，月球風化層中注入了大量的揮發性元素和同位素，如有用氣體元素氫(H)、氦-3(3He)、碳(C)和氮(N)[4]。據估算，月壤中的稀有氣體(氦、氖、氬等)含量高達0.98～1.27 cm3/g[11]。Rasera 等[12]對阿波羅號和月球號任務帶回的樣本以及月球軌道飛行器收集的遙感數據的分析表明，月球富含氫(H)和氦-3(3He)，但碳(C)和氮(N)含量相對較少。

由太陽風注入月球風化層中的氦-3(3He)是最有價值的資源之一，它是一種可長期使用的清潔、安全和高效的未來新能源，可以作為核聚變的材料，并且幾乎沒有輻射[13]。由于月球本身沒有磁場，所以氦-3(3He)能在月球穩定存在，而地球因磁場作用使氦-3(3He)沿著地球磁力線慢慢擴散，最終消失于大氣層中。月球上豐富的氦-3(3He)資源賦存于月壤的礦物和玻璃中，由于鈦鐵礦是一種緊密排列的六邊形晶體結構礦物，其孔洞尺寸與氦-3(3He)原子的尺寸基本相同，所以氦-3(3He)資源集中賦存于富鈦鐵礦的月壤中。Fa 等[14]基于氦-3(3He)地表分布、月球表面數字高程圖（DEM）經驗構建的風化層厚度以及3He 深度的指數剖面，估算出全月球氦-3(3He)庫存量約為6.50×108kg，其中月球近側約為3.72×108kg，遠側約為2.78×108kg，并繪制了月球表面每1 m2風化層中氦-3(3He)的總量圖（圖1）。月球上氦-3(3He)儲量可滿足地球的上萬年能源需求，開發利用月球風化層中的氦-3(3He)對地球能源的可持續性發展至關重要。

圖1 月球表面每1 m2 風化層中3He 的總量(10-9/m2)[14]:(a)近側，(b)遠側Fig.1 Total amount of 3He per 1 m2 of the regolith (ppb/m2) over lunar surface: (a) nearside, (b) farside

1.2 水冰型礦產資源

水冰型礦產資源指的是月球極地永久陰影區富含水冰的月壤型礦床，主要可利用資源是水[8]。月球兩極永久陰影區由于長期缺乏太陽照射，溫度基本維持在-233 ℃左右，因此，在此區域沉積了大量的冰水混合物，月球兩極永久陰影區也被認為是目前月球水含量最為豐富的區域[15]。據探測數據估算，月球極地永久陰影區月壤中水冰含量可達（5.6 ± 2.9）%，水冰資源儲量十分可觀[15-17]。

Paul 等[18]利用月球勘測軌道器的表面溫度測量和紫外線反照率光譜探測得到，月球極地永久陰影區的水冰與干風土密切混合存在時，其在月壤中的含量大約在0.1%～2%；水冰以純水冰的形式存在時，其在月壤中最高含量能達10%。高楠等人[8]基于月球極地永久陰影區水冰資源勘查的中子譜儀H 元素數據，繪制了月球南北極區的水冰豐度圖，如圖2 所示。

圖2 月球極區水冰物質含量分布(左：北極，右：南極)[8]Fig.2 Distribution of water-ice within lunar poles (left: north pole; right: south pole)

1.3 月球的金屬礦產資源

月球上的金屬礦產資源主要包括黑色金屬、稀有/稀散金屬及有色金屬礦產資源，其種類及用途如表1所示[8]。

表1 月球金屬資源礦產種類及其用途[8]Table 1 Types and application of lunar metal resources and minerals

1.4 月球的非金屬資源礦產

月球的非金屬礦產資源指的是不包括金屬元素的礦物質和化合物。由于月球水含量極低，且不具有發育變質作用，使其無法形成絕大多數地球上常見的非金屬資源[9]。通過人類的探測任務和樣本分析，發現月球上的非金屬礦產資源主要為硅(Si)和磷(P)[8]。

月球上硅(Si)元素儲量十分豐富，通過對月球的遙感探測以及采樣返回分析，月壤中硅元素占20%[19]。斜長巖約占月球表面巖石的60%，硅(Si)主要賦存于斜長巖的鈣長石中，推測品位約為70%[20]，實現巖石中硅(Si)的提取可以滿足未來工業化生產太陽能電池板以及電子材料的需求[21]。

月球上的磷(P)元素主要賦存于磷灰石、隕磷鈣鈉石中，推測品位約為10%[8]。

2 月球選礦影響因素

選礦是根據物料的粒度、密度、電導率、磁性和表面化學特性等性質，將其分離與富集的過程[22]。目前的選礦技術都是基于地球環境進行設計的，月球的重力和地表溫度等因素較地球而言有很大不同，將目前的選礦技術應用于月球選礦中還需要大量的探索研究。在過去的60 年里，科技人員對從月球礦產資源中提取有用成分進行了大量研究工作[4]。要開發在月球上能使用的選礦工藝和設備，需要將地球環境和月球環境進行對比，找出月球選礦的主要難點，進行針對性研究。表2 總結了地球和月球之間的主要差異指標，分析了這些差異會對月球選礦造成的影響。

表2 地球和月球對礦物加工環境影響的比較[4,23-24]Table 2 Comparison of the environmental effects of the earth versus lunaron processing

2.1 重力加速度

目前的選礦技術，都是基于地球重力場進行的。根據觀測到的數據和萬有引力公式進行估算，月球的重力約為地球重力的1/6。將選礦技術應用到月球上，月球重力可能會對選礦過程中的磨礦、重力選礦、浮選等造成一定影響。重力選礦主要就是借助重力對不同密度的礦粒進行分離的方法[25]，低重力條件下，礦物顆粒沉降會受到影響。假設某礦粒分別在月球和地球的同一介質中進行自由沉降（不考慮月球溫度對介質黏度的影響），其重力Fg、浮力Fb、阻力Fd的計算公式為[26]：

式中:m為顆粒的質量，g;g為重力加速度，m/s2;dp為顆粒的粒度，mm;ρp為顆粒的密度，g/cm3;ρ為介質的密 度，g/cm3;ζ為 阻力系數，（這里ut為顆粒的自由沉降末速，mm/s;μ為介質的運動黏性系數);u是顆粒的自由沉降速度，mm/s;Ap為顆粒垂直沉降方向上的投影面積，

礦物顆粒自由沉降末速度計算式為：

將月球和地球重力加速度帶入(4)式，月球上的自由沉降末速度約為地球上的2/5，沉降速度較慢，不利于礦物分選，為了提高分選效率，建議引入離心場。

在磨礦時，礦物物料及研磨介質在研磨過程中的運動方式有拋落式、泄落式和離心式三種[27-28]。這三種運動狀態受到重力加速度作用，月球重力加速度相對于地球較小，地球上適用的磨機在月球可能需要大量技改。如一個直徑10 m 的球磨機在月球上需要增加到直徑為60 m 才能產生同等的效率[29]。

在篩分時，礦粒通過本身的重力和篩網的振動來進行粒度分級[30]。月球重力加速度較小，礦物在月球上重力減小，篩分時微細礦粒會向上漂浮，影響礦粒分級效果。

在干式磁選時，礦物顆粒進入磁選機的分選腔內，磁性礦物顆粒因受到磁力的作用會吸附于磁輥表面被帶到無極區卸下，非磁性礦物顆粒在機械合力（包括離心力、重力、介質阻力和摩擦力等）作用下落入非磁性礦粒出口，使得磁性礦物顆粒從中分選出來[31]。磁性和非磁性礦粒在落入分選區時都受到重力的影響，月球重力較低，會致使部分細小礦粒漂浮，難以落入到預定分選區域，影響選別效果。

靜電分選是利用礦物摩擦特性、導電特性、介電常數差異，使其在電場中受到不同的靜電力、重力和離心力等作用力，從而在電場中擁有不同的運動軌跡，來實現礦物分選的一種物理選礦方法[32]。電選過程中，重力和離心力都是作為礦物顆粒落入分選區的脫落力存在，月球低重力環境可能會改變部分礦粒運動狀態，將電選應用于月球礦物選別可以通過增大離心力來減少重力對電選過程的影響，提高分選效果。

2.2 平均地表溫度

月球表面與地球表面的熱環境顯著不同，月球表面幾乎沒有大氣層，與外層空間的熱交換通過輻射進行，再加上月球自轉周期較長（約為29 個地球日），所以月球表面晝夜溫差極大[33]。月球上緯度不同，溫度差異也較大，月球赤道平均溫度為114～124 ℃，兩極平均溫度為-223～-73 ℃[34]。

月球的極端高溫和極端低溫環境會對選礦藥劑造成不利影響，溫度過高會使選礦藥劑揮發，溫度過低會使選礦藥劑凍結，達不到預期選別效果。選礦藥劑在月球上的儲存較為困難，再加上月球可用水源匱乏，浮選在月球礦產選別中難以應用，干式磁選、電選和光電選礦等干式選礦在月球礦物選別中具有重大應用前景，但需要注意的是，月表溫差大會降低選礦設備的強度，這就要求選礦設備材料有較強的耐高溫和耐低溫性能，使其機械結構能夠在較大的溫度梯度內運行，或者可以利用導熱物質，如熱管和冷卻劑，連接到散熱器，以管理熱量積聚[4]。

2.3 人類活動

地球大氣中的含氧量約為21%，能夠維持人類的正常生命活動。與地球不同，月球的大氣層極其稀薄，主要由惰性氣體組成[35]，人類需要借助供氧設備才能在月球生存。月球表面溫度較為極端，并不適合人類長時間活動。目前選礦技術自動化程度較低，許多選礦設備還需要人為進行調控，人類在月球活動受限會影響到礦石選別效果。研發在月球上使用的選礦技術應往模塊化和高自動化方向靠攏，以便于選礦設備的維修和運行。

2.4 水資源

目前已有確切證據表明，月球樣本中存在水，月球兩極存在水冰[36]。由于月球環境特殊，目前從月球獲取水資源仍存在許多技術挑戰[37]。地球上的大部分選礦技術，如磨礦、浮選、重選和濕式磁選要用到大量的水，而月球可用水資源匱乏，在月球對礦物進行濕式選別是十分困難的，需要開發新的干法選礦技術[12]。

2.5 月塵

月球塵埃（簡稱月塵）是月壤中廣泛分布的易于遷移的細小塵埃顆粒（粒徑小于20 μm），是由星際微流星體對月球表面的超高速撞擊產生的[38-39]。在太陽電磁輻射、太陽風等離子體和地球磁層尾部等離子體的影響下，月球表面被照亮部分帶電。在與太陽輻射相互作用后，由于光電效應，月球表面出現一層光電子。當懸浮在月球表面的塵埃粒子與太陽電磁輻射相互作用時，會發射出額外的光電子。位于月球表面或近表層的塵埃粒子吸收光電子、太陽輻射的光子、太陽風的電子和離子，以及(如果月球位于地球磁層尾部)磁層等離子體的電子和離子。所有這些過程都促進了塵埃粒子的帶電，它們與帶電的月球表面相互作用，形成月塵的懸浮[40]。月球塵埃具有很強的磨蝕性，由于其玻璃狀的成分、細小的尺寸和大的表面積與體積比，極容易形成靜電電荷[41]。

由于月塵懸浮并帶有靜電荷，使其極易附著于物體表面。月塵覆蓋在選礦設備表面可能會誘發設備局部過熱、機械結構卡死、密封失效、材料磨損等一系列問題。不僅如此，月塵還會對人體的健康造成威脅，導致人類產生咳嗽、流淚、打噴嚏等過敏反應癥狀，嚴重時可引起人類呼吸困難，長期吸入月塵易誘發各種呼吸道、內臟器官的癌變[38]。由于月球缺乏環境大氣，粉塵管理十分困難。

3 月球原位選礦技術探索

現有的選礦技術并不適用于月球低重力加速度、極端溫度、可用水資源匱乏、塵埃懸浮的環境，再加上目前選礦技術自動化程度較低，月球表面人類活動受限，使在月球上開展選礦工作非常困難。針對以上難點，需要對月球選礦技術展開一系列的探索。如低能耗提取、離心分級、靜電分選和干式磁選。由于水冰型礦產資源的主要利用資源是水，所以該類型礦床不需要分選富集[8]。

月球鈦鐵礦含量十分豐富，可開發利用的鈦鐵礦(FeTiO3)的總資源量約為1.5×107億t[11]，且大部分氦-3(3He)資源都賦存于鈦鐵礦中，目前選礦研究大多都是圍繞鈦鐵礦進行的。

3.1 低能耗提取

氦-3(3He)本身屬于揮發性元素，對月壤進行高溫加熱至600 ℃左右就可將其中90%以上的氦釋放出來，然后再通過低溫分離就可以獲得氦-3(3He)。國內外常見的氦-3(3He)提取方式是通過高溫加熱爐、直接聚焦太陽光或微波加熱月壤來實現[42]。高溫加熱提取相當耗能，對月球氦-3(3He)資源原位開發利用是難以承擔的重負，難以在月球上大規模推廣應用，需要研發新的低能耗提取技術。

蘇菲等[43]人發明了一種低能耗月球原位稀有氣體提取系統，該系統包括篩選、研磨和加熱裝置。研磨裝置又包括殼體、錘體、電磁驅動系統、進料口、和出料口。該系統工作時機械臂將月壤采回并投入篩選裝置中，篩選出粒徑100 μm 以下的月壤。然后將篩選出的月壤樣品在真空條件下利用研磨裝置內的電磁線圈產生磁場，使錘體往復運動對月壤進行研磨，研磨后的月壤送入加熱裝置，加熱至150～250 ℃，釋放出吸附在礦石內的稀有氣體。該系統提取功耗僅為現有技術中900 ℃熱熔提取功耗的10%～30%，能對月球的氦-3(3He)資源進行有效提取并減少能耗。

李健楠等人[42]發明了一種提取月球氦-3(3He)資源的地面試驗裝置，該裝置由主要由磨蝕坩堝、磨蝕杵、調節組件和U 形導出管構成。磨蝕坩堝和磨蝕杵位于真空腔室內，以模擬月球真空環境；驅動器利用磁流體與磨蝕杵相連，保證真空腔室內的真空度。該裝置工作時是將待處理樣品放入磨蝕坩堝內，用調節組件對磨蝕杵深入磨蝕坩堝內的深度進行調節，驅動器再帶動磨蝕杵轉動對樣品進行摩擦釋放氦氣，釋放后的氦氣再由導出管輸出。該裝置無需高溫加熱或徹底粉碎待處理樣品即可完成氦-3(3He)資源提取，能有效減少能耗。

氦-3(3He)的低能耗提取相較于現有的高溫加熱提取方式，具有能耗低、提取工藝簡單、資源利用率高和裝置適應性好的特點，但月球上存在許多高能帶電粒子，可能會對保證設備正常運轉的磁性材料產生一定影響，進而導致設備性能降低，需要對高能帶電粒子如何影響磁性材料進行模擬研究，找出解決措施，以保證設備在月球上能正常運轉，對氦-3(3He)資源進行高效利用。

3.2 離心篩分

月球選礦篩分設備利用離心力作為主力，結合剪切流和振動運動對礦物顆粒進行不過分依賴于重力的粒度分級。

Dreyer 等[30]研究了一種離心篩分選礦機，它是在離心力、剪切流和振動運動的作用下，利用固體顆粒的自然流動進行分層。篩分示意圖如圖3 所示，物料從右側進入旋轉的圓柱形篩網，篩網內的螺旋/螺桿以稍大的速度旋轉，剪切物料床并將其移動到輸出端；在離心力的作用下，細粉被迫通過篩網，粗料被移動到末端并離開篩網。Dreyer 等以篩速188 r/min 和螺旋鉆/刷轉速大于60 r/min 的速度對月球風化層模擬物JSC-1A 進行了離心篩分，從中分離出了粗粒中的過細物料，實驗表明利用離心力作為動力能使礦物顆粒進行不依賴于重力水平的粒度分級。

圖3 離心篩分示意圖[30]Fig.3 Schematic of centrifugal sieve concept

Mitchell 等[44]研發了一種3D 打印錐形離心機系統，如圖4 所示，該系統由三個核心模塊組成：控制模塊、分離模塊和收集模塊，控制模塊用于控制分離過程中錐體的角速度，由步進電機、步進電機驅動器和控制器組成；分離模塊由錐體、角度調節器和底盤組成；收集模塊包括一個顆粒收集器和收集管。錐形離心機分選過程為礦物顆?；旌衔锉蛔⑷氲揭粋€具有紋理表面的旋轉金屬錐上，由于較大和較小的微粒在重力、離心力和摩擦力的聯合作用下呈現不同的軌跡,它們在離開金屬錐表面后會落入不同分選區域，以達到礦物顆粒分離效果。Mitchell 等對設備的錐體直徑、錐體角度、軸傾角等進行了對比研究并利用該設備對由重晶石、方解石、石英組成的細顆粒礦物進行了分離實驗研究，篩分后的細顆粒礦物濃度、實驗回收率和理論回收率的峰值分別為74.2%、53.5%和45.6%。實驗回收率和理論回收率相差較大是因為礦粒受到錐體表面粗糙度和錐面角度的影響，使微粒附著在錐面上。該系統對月球礦物顆粒有一定分選效果，設備還可以通過熔融沉積建模(FDM)三維(3D)打印在月球表面的低重力條件下制造，具有巨大應用前景。

圖4 3D 打印圓錐離心機系統設計圖[44]：(a)系統的三個主要模塊；(b)系統的關鍵組成部分；(c)圓錐離心機系統的組裝圖Fig.4 Design of the conical centrifuge system.(a) Three main modules of the system.(b) Key components of the system.(c) Assembled view of the conical centrifuge system

離心篩分用離心力代替重力對不同大小的礦粒實現了有效分選，但出料還是由重力驅動，所以在月球低重力條件下出料速度較慢，需要在礦物出料口處做優化設計，如添加增壓裝置來保證正常排料速度。

3.3 靜電分選

月球風化層的導電性和介電損耗很低，其中不同的礦物也具有明顯不同的化學結構，再加上月球環境中缺乏使顆粒黏在一起的水分，不同的礦物顆粒之間分散且具有不同的電荷量和極性，從而可以被分離出來，使其適合靜電分選[45-46]。

通過靜電力對月球礦物進行選別的技術主要有三種：滑動分離器的導電感應、平行板分離器的摩擦充電和靜電行波?；瑒臃蛛x器的導電感應除了Agosto在1983-1985 年做過研究外，后續研究較少。

3.3.1 平行板分離器的摩擦充電

平行板分離器的摩擦充電是一種不需要水的干燥分離方法，通過使用滑動板分離器和高壓電極對顆粒進行感應充電來實現。原理是，風化層內的不同礦物顆粒通過與不同成分的材料接觸而產生摩擦荷電，這些帶電粒子根據它們的電荷質量比(Q/M)在電場中進行靜電分離[47-49]。

Li 等[49]采用帶有銅摩擦增壓器的氣動垂直平行板分離器對直徑為200～140 目(75～106 μm)的鈦鐵礦與其他礦物（鈉長石、輝石、鎂橄欖石、石英）的二元混合物、三元混合物和定制風化層模擬物進行了測試，測試結果表明，對于鈦鐵礦和鎂橄欖石的混合物，鈦鐵礦應帶負電，而鎂橄欖石帶正電；對于鈦鐵礦與其他礦物的二元混合物，鈦鐵礦應帶正電，其他礦物帶負電；對于具有兩種以上組分的混合物，電荷極性由電荷量和功函數的相對差異控制。通過使用摩擦靜電分離技術，可以在這五種混合物中富集鈦鐵礦和其他礦物。

Trigwell 在2006-2012 年間對平行板分離器的摩擦充電分選月球礦物做了大量研究，并對使用的設備進行不斷改進，從一開始的氣動驅動的板分離器到目前的自由落體摩擦電分離器[45-47]。Trigwell 等[50]用自由落體摩擦電分離器（如圖5 所示）對月礦混合物（長石、鋰輝石、橄欖石、鈦鐵礦按質量比4∶4∶1∶1 組成）、月球模擬礦JSC-1A(50～75 μm 粒度)、月球模擬礦NU-LHT-2M(添加5%質量的鈦鐵礦)、阿波羅14 號樣品14163 和阿波羅17 號樣品77051 進行了摩擦帶電靜電選礦實驗，并通過X 射線光電子能譜(XPS)分析其組成，發現分選后的樣品中的Fe 和Ti 含量明顯升高，實驗結果表明，摩擦靜電分選對這些樣品中鈦鐵礦有一定程度的富集效果，并表明摩擦靜電選礦最佳分選粒度約為50～100 μm。

圖5 自由落體式摩擦電分離器[50]Fig.5 Free-fall triboelectric separator

Quinn 等[46]對Trigwell 使用的設備進行了礦物電荷積累和偏轉優化，對NU-LHT-2M 月球模擬礦（以純礦物鈦鐵礦、橄欖石、鋰輝石和長石混合組成）進行了兩次失重飛行(RGF)實驗，旨在測試月球引力的影響以及靜電場強度對分離器功效的影響。第一次飛行對電極施加了±8、±10 和±12 kV 電壓，實驗后鈦鐵礦的富集度高達60.3%，回收率為69.4%。第二次對電極施加了±13、±15 和±20 kV 電壓對修改后的模擬物(添加10%鈦鐵礦)進行實驗，發現鈦鐵礦在一次通過后最多可富集10.6 百分點（約10%到20.6%)，回收率23.9%。第二次實驗回收率降低可能是因為在電荷質量比最小的粒子上仍能感受到地球重力的影響，導致足夠數量的顆粒根據重力方向下落到其他收集箱，沒有下落到靜電分選的收集箱中。通過兩次RGF實驗，表明更高的電壓會導致更高品位的鈦鐵礦，實驗表明摩擦充電與自由落體平行板分離器相結合有助于鈦鐵礦的富集。

目前模擬實驗數據表明，平行板分離器的摩擦充電選礦是一種對月球風化層礦物進行分離和富集最簡單有效的方法[51]。然而，由于礦物顆粒大小、形狀和角度、晶格缺陷、表面污染、離子和水的吸附、介電常數、接觸類型以及接觸的數量和持續時間都會影響摩擦充電轉移的電荷量，而月球礦物的許多電磁特性還沒有經過經驗測定，如介電常數，且用于實驗室測試的風化層模擬礦物不具有自然靜電荷，但月球風化層表面具有天然的靜電荷，其帶電粒子大小和存在的深度尚未確定，所以在地球上進行實驗表征是具有挑戰性的，對月球礦物的電磁特性進行研究和入選礦粒進行預處理是必要的[12]。此外，目前平行板分離器摩擦充電的研究數據回收率較低且不穩定，可能是因為礦物顆粒還是受到地球重力的影響，可以通過改變電壓來減小地球重力對礦物顆粒分選的影響。

3.3.2 靜電行波

平行電極和合適的多相電壓源可以產生靜電行波(ETW)場。帶入該場的中性或帶電微粒，在電場力、引力等與其不同物理性質相關的力的作用下，會以不同的軌跡運動。一些顆?？梢酝ㄟ^與覆蓋電極的介電層接觸而進一步帶電（摩擦帶電）。設計參數適宜（例如電極配置、間距和電壓特性）的靜電行波系統可用于傳輸和分離細小的干顆粒[52]。

Kawamoto 等[53]開發了一種利用電動力行波的分選系統（如圖6 所示），該設備分選過程為當對電極施加四相高壓時，電極上方產生電動力行波，小的礦物顆粒通過垂直沉降的電極在高位向上輸送，大顆粒容易下降。還利用該系統對粒徑為45 μm 月球模擬礦FJS-1（由49.4% SiO2、10.0% Al2O3、9.3% CaO、8.0%FeO 和4.4% Fe2O3組成）進行了真空（0.1 Pa）實驗，所獲得的的小顆粒平均粒徑為12 μm，小于10 μm 的顆粒產率為30%，相較于兩相電壓的駐波分選系統，10 μm的顆粒產率提高了20 百分點，實驗結果表明該系統適用于月球礦物粒度分選。

圖6 電動行波分選系統的實驗裝置[53]:(a)四相直角波電壓的波形;(b)設置的配置;(c)輸送機板的橫截面圖;(d)安置在真空室的分選系統的照片Fig.6 Experimental setup of sorting system using electrodynamic traveling wave: (a) wave form of four-phase rectangular-wave voltage;(b) configuration of setup; (c) cross-sectional drawing of a conveyer sheet; and (d) photograph of sorting system settled in a vacuum chamber

靜電行波分選法具有結構簡單、功耗低和不需要任何機械驅動或消耗品的優點。由于月球風化層具有自然靜電充電的特性，可能會使基于人工電荷采集的分離技術變得無用，在礦物顆粒進入靜電行波系統之前對大塊風化層進行脫料是必不可少的[4]。此外，月球晝夜溫差較大，夜間發電較為困難，需要大型儲能的太陽能發電解決方案以保證設備夜間的正常運行。

3.4 磁選

磁選是在不均勻磁場中利用礦物之間的磁性差異而使不同礦物實現分離的一種選礦方法[54]。鑒于月球風化層中都含有大量鐵磁性物質，用磁選對其進行分選理論上是可行的。磁選設備是利用磁系材料（鍶鐵氧體、釹鐵硼合金、鈰鈷銅永磁合金等）產生不均勻磁場使礦粒磁化，進而產生磁力，磁化后的磁性礦粒因受磁力作用會吸附于磁體表面，隨磁場強度減弱而落于磁性產品槽，非磁性礦粒在離心力和重力作用下落入非磁性產品槽[55]。磁選法是鈦礦選礦工藝中最普遍使用的方法[56-57]。相較于電磁磁選機，永磁磁選機具有結構簡單、節省能耗、操作維護方便和性能穩定的優點，使其能更好適應復雜的月球環境，所以目前月球磁選研究大多圍繞永磁磁選進行[58]。

Oder 等[12]使用Frantz 等動力分離器，從輝石（順磁性）中磁性分離氧化鐵和鈦鐵礦取得了一定的成功。Kawamoto 等[59]將月球模擬物FJS-1(<53 μm)均勻地摩擦在宇航服上，然后使用永磁體進行去除，成功地從織物中去除了50%～70%的模擬物。Berggren 等[12]探索使用N-50 級釹鐵硼永磁體從二元混合物和月球模擬物中富集磁性和順磁性材料，實驗成功地從石英砂中富集了氧化鐵（從10%富集至87%，兩次分選）和鈦鐵礦（從10%富集至75%，三次分選）。

從目前公布的數據來看，對月球模擬礦物進行磁選的研究較少且模擬實驗的成功程度也較低。隨著月球土壤成熟度的增加，風化層中磁性成分的比例也會增加，這使得從富鐵輝石和凝結物中分離出鈦鐵礦變得更具挑戰性[60]。由于永磁磁選機是磁體經外磁場磁化后獲得高剩磁來產生較強的恒定磁場對礦物進行選別，月球磁場強度變化對永磁磁選機影響較小，但需要注意月球低重力對磁選過程中微細礦物顆粒下落時的影響。永磁體還易受高溫和化學腐蝕等復雜多變的運行環境的影響，產生不可逆的退磁風險[61]。因此，永磁體磁選機應用到月球上時，需配備冷卻和防塵裝置。

4 結論與展望

（1）月球礦產資源豐富，合理開發利用有助于月球基地建設和后續太空探索。由于月球低重力、超高真空、強烈的太陽照射、風化層的靜電敏感性、陰影區域的低溫以及龐大的供應鏈成本等問題難以克服，月球礦產資源開發利用仍存在諸多困難，目前仍處于探索研究階段。

（2）為了實現對月球礦產資源的高效利用，許多學者模擬月球環境進行了許多選礦研究，目前對月球選礦的模擬研究技術有：①低能耗提??；②離心篩分；③平行板分離器的摩擦充電分選；④靜電行波分選；⑤永磁體分選。

（3）通過對月球選礦技術進行綜述，發現月球選礦技術研究中有以下問題被忽略：①細粒(<50 μm)占月球風化層的40%，但在目前月球選礦技術研究是被忽略的。②靜電行波分選研究中顆粒大小和形狀特征的影響常常被忽視。③月球塵埃容易附著在設備表面，且具有很強的磨蝕性，因此可能會對長時間加工的材料產生磨損，需對選礦設備所處環境進行防塵處理。④迄今為止的大部分月球原位選礦研究都集中在靜電分選上，對磁選和其他干式選礦技術研究較少。智能光電分選作為干選法，具有不耗費藥劑、分選精度高、分選效率高、礦物回收率高等優點，在月球原位選礦中具有應用前景，但光源發射器容易受光照、溫度、濕度等因素的影響，需要對光電分選機進行一定技改以適應月球環境，并且還需要對月球礦物的物理特性進行深入研究，以確定光電分選設備的應用參數，使光電分選機的分選效率和使用壽命最大化，從而降低成本，提高選礦效率。⑤月球表面受到來自太陽的電磁(EM)、高能粒子和銀河宇宙射線的輻射，輻射會損害電子元件、降解建筑材料和造成人體損害，選礦場所的屏蔽輻射設計也是必不可少的。