月壤原位資源利用技術研究進展

徐桂弘，李陽，李瑞，張曼，唐則濤，唐政

1.貴州理工學院 土木工程學院，貴州 貴陽 550001；

2.中國科學院地球化學研究所，貴州 貴陽 550001

原位資源利用技術是利用地外天體原位資源轉化為空間任務所需各種產品的一系列技術手段。月球作為深空探測的前哨站和中轉站，原位資源利用技術可實現勘查和提取月球等天體上的可利用資源，顯著減少從地球發射到月球的載荷，節省發射成本[1]。

月球蘊藏著大量的金屬與非金屬礦產資源。據估算月球上鈦鐵礦的總資源量約為1.2 萬億t[1]，鈦鐵礦中太陽風注入的3He 總資源量約為100～150 萬t[2]，兩極地區水冰的總資源量約數千萬～數億噸。月球表面除了山脈、撞擊坑外，還覆蓋著一層月球土壤，月壤主要成分包括橄欖石、斜長石、輝石、尖晶石、鈦鐵礦等碎屑，角礫巖碎屑、各種玻璃物質隕石碎片等[3]，如何從月表土壤中實現礦物分離提取氧氣、金屬等必備的物質材料是人類和機器人在月球上行動可持續性的關鍵。

1 月壤物理特性

月壤顆粒的宏觀物理力學特性及微觀形貌特征是研究月壤原位資源利用的基礎。月壤長期經受微隕石轟擊、太陽風注入、宇宙射線輻射等作用，其微觀形貌和幾何形態復雜。統計結果表明，嫦娥五號月壤95%的顆粒粒徑集中在1.40～9.35 μm，玻璃質含量約16.6%[4]，嫦娥五號粗粒和細粒月壤的Is/FeO 值分別為15.9±10.8 和64.4±5.6，平均Is/FeO 值約為30 左右[5]，接近不成熟型月壤。與阿波羅月海玄武巖地區樣品相比，嫦娥五號月壤在相似的顆粒密度（約3.1 g/cm3）情況下，具有更低的質量密度（1.24 g/cm3；阿波羅與月球號：1.45～1.9 g/cm3）和更高的孔隙度（約61%；阿波羅與月球號：44%～52%）[6]，嫦娥五號（0.56 m2/g）與阿波羅（0.52 m2/g）月壤的比表面積差別不大。

由于月壤顆粒粒徑極為細微，顯微形貌、結構以及化學組成的原位微區分析通常需要在納米級尺度分辨率開展，對數據的準確獲取造成了極大的困難。目前，可查閱的數據表明，月壤風化層所含的主要礦物有輝石、橄欖石、斜長石、鈦鐵礦和尖晶石等。2022年，中科院地球化學研究所Guo Z 等[7-8]等在嫦娥五號月壤前期研究工作中，首次證實亞微米級磁鐵礦以及多種成因的納米級單質金屬鐵的存在，革新了學術界關于月壤形成與演化特征的一些基本認識。

月壤的物理力學性質研究主要涉及月壤壓縮性和抗剪性，月壤物理特性主要是由內聚力c和摩擦角φ兩個指標決定。由于月壤顆粒表面多棱角、鉤角、鋸齒等不規則結構，干燥狀態的月壤內摩擦角變化范圍 較 大（0°～53°），內 摩 擦 角約為33.3°，內 聚力c=1.0 kPa[9]。由于月壤樣品稀少，月壤的宏觀力學性能及剪切性能大多以模擬月壤開展研究，且在研究方法上出現多種方式。吉林大學Meng Zou 等[10]通過月球車車輪識別月壤力學參數，對模擬月壤內摩擦角（φ）、和剪切變形模量（K）值進行識別，研究結果表明GABP（遺傳算法優化的反向傳播神經網絡）算法能準確、有效地在線識別風化層剪切參數。印度國家理工學院T.Prabu 等[11]通過循環三軸試驗，對新型月球高地模擬模型LSS-ISAC-1 在模擬月震條件下的動力特性進行了解釋。在相對密度（30%、63%和80%）、圍壓（5～75 kPa）和頻率不同的情況下，通過循環三軸試驗確定剪切模量和阻尼比，以代表月球表面的松散、中等和密集狀態。印度國家理工學院Thannasi Prabu 等[12]闡述了新研制的月球高原土壤模擬樣品（LSS-ISAC-1）的抗剪強度參數、應力-應變關系和體積變化特性，對內摩擦角臨界狀態、剪脹角、楊氏模量、泊松比、內部可蝕性、小應變剪切波速、剪切模量等工程性質進行了評價。試驗結果表明，該模擬月壤可以很好地代表實際的月球高原土壤。

此外，吉林大學Xumin Sun 等[13]提出了一種完全由天然斜長石復合材料制成的新型月球高原模擬月壤，并確定了化學成分、顆粒形態、粒徑分布、比重、容重、最大和最小密度、抗剪強度等巖土特性，與Apollo 16 月壤樣品參數和其他現存高原模擬月壤的數據進行了對比，雖然無法替代阿波羅16 號月壤樣品，但是在礦物成分方面是相似的，且價格低廉，可以批量生產。佛羅里達大學 Maxim Isachenkov 等[14]研制出一種新型月壤，通過XRF、XRD、SEM、EDX、DTA、TGA、UV/Vis/NIR 光譜和激光衍射等方法進行了表征，發現與之前開發的模擬阿波羅月壤相似，可以很好地模擬月球風化層性質。

綜上所述，目前針對月壤物理力學等特性研究，科學上重點關注其獨特物質成分、探究其形成演化機理，由于樣品稀少，主要依托于模擬樣品開展相關研究，難以系統、精確地揭示其宏觀物理特性與礦物組成、顆粒特征等的影響規律。

2 月壤原位成型制造技術研究進展

月壤風化層原位成型資源利用技術主要是指材料固化成型和“礦物提取及冶金”兩類。月壤固化成型包括將月壤材料熔融固化成型、在月壤中加入外加劑將月壤固化成型或直接壓制月壤成型。礦物提取及冶金主要通過使用化學介質、特殊的還原物質或加熱手段，分離提取月壤中的氧氣、金屬、低價金屬氧化物等。

目前國內外關于月壤的原位成型制造技術主要有4 種：黏結成型、堿激發成型、燒結成型和3D 打印技術[15]。

2.1 月壤黏結成型技術

硫磺混凝土（（Sulfur concrete）是用硫磺作為膠凝材料，把原料加熱到一定溫度（140 ℃左右），使硫磺熔化，再經過攪拌、裝模和冷卻工序即可形成具有一定的強度的固體結構。硫磺混凝土具有較高的抗壓、抗拉強度，具有較大的彈性模量，還具有一定的耐腐蝕性且可以熔融回收重復利用等優點。2005 年，Toutanji 研究團隊[16-18]將加熱熔融的硫磺和JSC-1 模擬月壤以一定比例進行混合，得到力學性能良好的無水混凝土塊；后續與NASA 合作，評估了硫磺混凝土的抵抗沖擊和月球輻射的能力，以及在真空條件下承受極端溫度和熱循環的能力。Richard N 等[19]使用JSC-1 模擬月壤激發劑、硫磺、SiO2粉末等，制備了硫磺混凝土。2022 年，伊朗阿米爾卡比爾大學Mohammad Hossein Shahsavari[20]研究在真空、微重力和不同溫度條件下硫磺混凝土的工作性能及流動性能，發現硫含量增加會降低含硫混凝土的滲透性。

2.2 堿激發成型技術

地質聚合物混凝土是將硅鋁酸鹽骨料與堿性活化劑溶液混合，通過兩者之間產生的脫水縮聚反應形成膠凝劑將骨料黏結起來而制得的混凝土材料。該概念在1991 年由Davidovits[21]提出，美國Carlos Montes等在2015 年首次嘗試以模擬月壤為原料制備地質聚合物混凝土，將調制的堿性活化劑溶液與JSC-lA 模擬月壤分別以0.32∶1 和0.2∶1 的比例進行混合，然后分別用常規澆鑄法，在60 ℃恒溫環境中固化72 h制得。在此之后，Alexiadis 等與NASA 合作以模擬月壤和模擬火星壤為原料，通過向原料中摻入K2SiO3改變原料硅鋁比，研究硅鋁比對制得樣品的力學強度的影響以及堿溶液濃度對樣品性能的影響[22]。2019 年Cai 等[23]研究了Ca(OH)2和P.I 52.5 水泥作為月壤混凝土鈣質原料的效果，發現Ca(OH)2是更好的鈣質原料來源。2020 年美國賓夕法尼亞州立大學Juliana Moraes Neves[24]研究發現摻加75% JSC-1A（模擬月壤）和25%硅酸鹽水泥的砂漿在水化28 d 時的抗壓強度可達30 MPa，北京航空航天大學Siqi Zhou 等[25-26]研究將鋁（Al）材料、模擬月壤混合制備地質聚合物，發現該聚合物的力學性能良好，72 h 的抗壓強度可達38.2 MPa。捷克Anna-Marie Lauermannová[27]將模擬月壤、氯氧鎂水泥（MOC）、石墨烯等按比例混合制備混凝土，當模擬月壤含量為50%時，試樣的抗壓強度高達67 MPa。英國伯明翰大學Jahinder Momi[28]研究了模擬月壤與水、氫氧化鈉（堿性劑）和尿素（高效減水劑）的混合流變性能。周兆曦[29]對不同養護溫度和NaOH 摻量的模擬月壤進行無側限抗壓強度實驗、X 射線衍射試驗和掃描電鏡實驗，發現高溫蒸養可提高材料的抗壓強度。華中科技大學Lixiong Cai 等[30]以玄武質月球風化層模擬月壤為主要原料，將Ca(OH)2和P.I 52.5 混合制備混凝土，發現Ca（OH）2能有效地提高混凝土的強度，并能有效地促進目標水化產物的生成。Zhuojun Hu 等[31]對鋁酸鹽混凝土、硫磺混凝土、鎂硅混凝土、聚合物混凝土和地質聚合物混凝土等加入月壤顆粒后的力學性能進行了評價分析。

由于月壤的礦物成分類似于火山灰，富含硅鋁酸鹽，可通過硅鋁質原料與堿發生化學反應生成起膠結作用的無定型凝膠，硬化后生成具有網絡結構的地質聚合物。常用的堿激發劑有氫氧化鈉、氫氧化鉀、硅酸鈉、硅酸鉀等。月球風化層作為一種原位資源，已被證明可用作制備月球路面用地質聚合物的原料。ESA 利用火山灰材料制備了模擬月壤DNA-1，并利用堿激發成功固結了模擬月壤[32-33]，國內也報道了利用NaOH、水玻璃等激發并固結模擬月壤的研究。美國特拉華大學Jennifer N.Mills 等[34-35]在真空極端高溫（60 ℃）和低溫（-80 ℃）下，采用堿激發劑制備月壤地質聚合物，發現60 ℃時地質聚合物固體結構抗壓強度較大。Rongrong Zhang[36]研究發現氫氧化鈉（NaOH）可形成較高強度地質聚合物和致密的結構，當溫度在84.5～33.5 ℃之間變化時，該地質聚合物72 h 抗彎抗壓強度在5.7～31.2 MPa 之間變化。

2.3 燒結成型技術

燒結技術是以月壤、無機材料為原料，經過成型、高溫燒制工藝，可望在月球表面將月壤生產為特定屬性和特定應用的結構部件，其強度主要來源于月壤再結晶形成的共價鍵，因此燒結成型構件會產生坯體致密化和再結晶，致密度增大、強度提高，但體積會出現收縮現象。早期的月壤燒結成型主要采用溫控爐內加熱的方式，得到的固體構件強度相對較低。NASA前期研究結果表明，真實月壤顆粒的燒結溫度約為100～1 000 ℃，恒溫時間應達到2～2.5 h 時，模擬月壤顆?？赡z結為整體。D A Altemir 等[37]將模擬月壤在253 MPa 的壓力下，采用普通電爐升溫技術，當溫度達到1 000 ℃、持續時間為30 min 時，燒結固體構件的強度在14 MPa 左右。Rui Dou 等[38]研究模擬月壤（CLRS-2）在1 100 ℃和1 150 ℃下燒結的樣品的收縮率和力學性能，發現在空氣中1 150 ℃燒結的樣品具有最高的燒結收縮率，力學性能最好，這可能是由于在燒結后形成了玻璃相和致密結構。Andrea Zocc 等[39]采用差熱分析法對JSC-2A 模擬物在常溫和惰性條件下的燒結和熔化行為進行了研究，并采用 X 射線衍射分析法測定了晶體峰上的礦物成分。

近幾年隨著試驗條件的提高，月壤燒結成型技術研究出現了多種形式。Xiang Zhang 等[40]研究了火花離子燒結技術（spark plasma sintering）對微觀組織演變、相變和力學性能的影響機制，發現等離子燒結構件的強度可以達到普通混凝土的10 倍以上。中國科學院Lei Song 等[41]研究了真空環境條件對低鈦玄武巖模擬月壤（CLRS-1）燒結的影響，發現在1 100 ℃溫度下真空燒結可獲得密度為1.19 g/cm3的多孔材料，該結構構件可望用于月球基地保溫隔熱結構部件。HAN W B 等[42]通過HUST-1 模擬月壤，對比了大氣和真空環境下不同燒結結構構件的收縮變形特性，發現溫度是影響燒結構件微觀形貌的重要參數，隨著溫度的升高，燒結構件的逐漸密實，收縮變形逐漸增大，抗壓強度可達70 MPa。

微波燒結技術由于高效、加熱均勻等優點，被認為是最具潛力的月壤原位加工方法。Young-Jae Kim等[43]通過對KLS-1 型模擬月壤進行微波燒結，發現隨著燒結溫度的升高固體結構強度顯著提高，在1 120 ℃時，燒結固體結構強度為37.0±4.8 MPa，在-100～200 °C的循環溫度應力下，熱膨脹系數保持良好。Hailong Liao 等[44]利用激光熔煉技術成功制備了月壤Al、Si、Mg 復合材料，相對密度為92.5%的樣品抗壓強度為264 MPa。Shayan Gholami 等[45]研究微波燒結時間、溫度等參數對模擬月壤致密化、微結構演變和力學性能的影響，顯示微波燒結試樣的孔隙率在8.5% ～ 11.5%之間，燒結溫度是影響微觀結構的主要因素。

燒結成型制造技術及應用領域有了新的拓展，Robert E.Ferguson 等[46]研究將月壤、火星風化層制備瓷磚。Liu 等[47]研究發現，CLRS-2 模擬月壤粉末與光固化樹脂混合制備的漿料燒結處理后，平均抗壓強度和抗彎強度為428.1 MPa 和129.5 MPa。Julian Baasch等[48]的研究表明，利用月壤材料可以鑄造多種鋁制構件。

綜上所述，燒結成型法易于大批量制造，生產效率高，所產出的成品需要一定熱源設備技術，未來需要在設備和工藝適應性方面開展進一步研究，且燒結成型技術對月球特殊環境的適用性仍有待繼續研究驗證。

2.4 3D 打印技術

3D 打印技術又稱為增材制造技術，是在三維數字模型的基礎上，利用逐層制造方式實現對構件三維加工制造的一種新型加工制造技術。目前，所報道的以模擬月壤為原料的3D 增材制造技術，主要包括擠出打印技術、D-shape 3D 打印成型、激光3D 打印成型和“模擬月壤油墨”3D 打印技術、光固化3D 打印、太陽光聚焦3D 打印成型等，模擬月壤3D 打印技術主要試驗步驟及相關特征如表1 所示。

在擠壓成型研究方面，Shannon L.Taylor 等[49]通過3D 擠壓成型，用JSC-1A 月壤模擬材料制作網格桁架結構，發現玻璃相可改變桁架結構的相對密度、峰值抗壓強度等。挪威Shima Pilehvar 等[50]研究了極端溫度變化和真空環境條件下，擠壓3D 打印技術中尿素對月壤聚合物物理力學性質的影響，發現尿素具有減水功能，最大可以降低所需水量的32%。

D-shape 打印技術由意大利工程師Enrico Dini 提出，它是利用一個可移動打印噴管陣列將黏合劑噴灑至砂質材料，黏結疊加得到建筑構件。2014 年，Cesaretti G 等[51]以模擬月壤為原料，采用D 型3D 打印工藝制備了具有良好抗拉強度和韌性強度的“蜂窩狀”結構件；2010 年，Ceccanti G 等[52]以模擬月壤為原料，使用無機溶液固結成功打印出“放射蟲”結構件，該技術已被證實在真空環境中可以正常開展工作。

激光3D 打印以激光束定向燒結月壤粉體熔融，由計算機控制層疊堆積成型、凝結的技術。該成型技術可控參數較多，如月壤顆粒的粉體形狀、熱轉變溫度、熱導率、激光吸收率、激光作用功率、掃描速度、掃描間距、層厚等參數，都對最終成型構件質量有重要的影響。Balla 等[53]在2012 年使用連續波Nd-YAG激光在3 mm 厚的鋁合金基板上進行了模擬月壤的直接3D 打印實驗，制備出了直徑8～10 mm、高25～30 mm、相對理論密度92%～95%的構件，證明了激光3D 打印的可行性。Fateri 和Gebhardt[54]利用激光選區熔化技術制備出了10 mm×10 mm×3 mm 的方塊試樣及齒輪螺母樣件，其硬度值為1 245 HV，高于同一燒結條件下二氧化硅的硬度值（865 HV）。Gerdes等[55]研究了金屬基底和陶瓷基底在不同激光功率、不同打印速度下的成型質量，發現月壤原材料在陶瓷基底上具有更好的3D 打印效果。

“月壤油墨打印”成型技術是將黏合材料（即“油墨”）選擇性地沉積到月壤粉末床，將月壤粉末黏合在一起，從而制造出工程需要的幾何結構部件。Taylor 等[56]在2018 年開發了一種由JSC-lA 模擬月壤以及聚乳酸羥基乙酸有機物混合而成的3D 打印“油墨”，后將油墨直接擠出成功打印出了微支柱的規則桁架結構件。北京航空航天大學周思齊等[57]以水膠比0.28～0.32 的BH-1 模擬月壤地質聚合物漿體為打印墨水制備道路材料，采用動態剪切流變試驗測試了打印溫度在40～80 ℃下漿體的流動曲線，得到剪切破壞特性。

光固化成型技術主要以光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的結構部件。2019 年，中國科學院航天制造技術重點實驗室Liu M 等[58]使用3D 光固打印的方式，利用模擬月壤所制備構件的平均抗壓強度達到了428.1 MPa、平均抗彎曲強度達到了129.5 MPa。

太陽光聚焦3D 打印技術，是通過直接聚焦太陽光實現外星壤增材制造。Kayser Works 公司創始人Markus Kayser 于2011 年在撒哈拉沙漠通過太陽光3D 打印機采用砂子成功制備出等截面扭轉和變截面構件。德國聯邦航空航天中心A.Meurisse 等[59]利用模擬月壤材料首次制成了太陽能3D 打印磚，但抗壓強度不到5 MPa，目前無法直接應用于工程建設。在1 000 ℃條件下通過逐層覆土的方式制備了模擬月壤磚，證實了太陽能聚光打印的可行性。

綜上所述，擠出打印成型、D-shape 3D 打印、“月壤油墨”打印成型月壤構件，需要從地球上運輸的添加劑，且成型過程受微重力的限制，其技術還有待進一步考證。激光3D 打印技術，整體黏結性能較差，激光熱源機理對燒結的影響關系尚需進一步研究。光固化成型技術需要激光聚焦設備、反應性稀釋劑、光引發劑等，成型過程自動化程度高、尺寸精度高、表面質量優良，目前得到成型構件的抗壓強度值最高。但是該成型技術制件脆性大、可使用材料的種類少、液態樹脂有氣味和毒性，所需要的樹脂材料需要從地球上運輸。太陽光聚焦3D 打印成型技術，尚存在燒結制品整體度差、強度低等問題，且構件缺陷形成機理缺乏充分研究，但是該技術無需要從月球上輸運材料，可能發展為未來月球基地建設的重要技術支撐，或將成為月球資源原位利用技術的重要組成部分。

3 冶金提取研究進展

3.1 化學介質還原法

化學介質還原法是根據月壤的化學性質，通過氫氣、甲烷等碳基作為燃料，以鹵素氣體作為還原介質對月壤中的氧化物成分進行還原，提取所需要的金屬或氣體。

在氫氣還原月壤研究方面，由于水電解可得到的氫氣和氧氣，當溫度在100～2 000 ℃范圍時，月壤風化層中的鐵氧化物可以被還原，得到金屬鐵。Carr 等[60]在1963 年提出了水電解為氫氣和氧氣的試驗裝置，如圖1 所示。該裝置在試驗過程中需要保持較高的氫氣分壓，同時產生水蒸氣，需要將水蒸氣移出反應系統。Denk 等[61]提出一種可連續工作面包板式反應裝置，該裝置可以通過太陽能聚焦加熱至高溫條件，分解出氫氣處理鈦鐵礦。2017 年，ESA 發明一套試驗裝置（見圖2），該裝置同樣是通過氫氣還原月壤，并以純鈦鐵礦為試驗材料，得到了34%的還原率[62-63]。英國H.M.Sargeant 等[64]以氫氣作為還原介質，還原模擬月壤（NWA 12592）和一塊月球隕石（NWA 12592）、兩種阿波羅月壤（10084 和60500），發現阿波羅月壤（10084）的O2還原量最高。

圖1 氫氣還原過程示意圖Fig.1 Hydrogen reduction process diagram

除了氫氣作為還原介質，工業生產中碳基還原劑也可以用于月壤氧化物的還原反應[65]。Loutzenhiser等[66]自主研發了聚焦太陽能還原二氧化硅實驗裝置，加熱溫度至1 724～1 990 ℃，通過木炭還原高純度二氧化硅得到了金屬硅。2022 年，希臘雅典國立技術大學Michail Samouhos[67]對BP-1 模擬月壤進行了碳熱還原，發現在溫度1 300 ℃條件下，大量使用碳還原劑可以促進粒狀硅鐵合金的形成，該硅鐵合金后期還可以應用于3D 打印材料。

由于氣體F2的氧化性強于O2，氟可以取代氧置換出氧氣。2020 年，南非開普敦大學Evren M.Turan[68]采用氟化工藝，發現每千克模擬月壤可以生產0.21 kg的硅和0.32 kg 的氧。但是，由于氟腐蝕性較強，在每個反應過程中都需要專用反應設備，因此該試驗過程較為復雜。此外，月球上缺少氟氣，采用該試驗方法提取化學物質時，需要從地球上輸送氟氣。

此外，歐洲航天局P.Reiss 等[69]通過熱重分析（TGA）法，將純氮、氫和甲烷作為還原介質，對純鈦鐵礦和模擬月壤（NULHT-2M）進行還原試驗，發現氫氣可以很好地還原鈦鐵礦，當試驗溫度500 ℃時，氫氣可以用來減少模擬月壤鈦鐵礦的含量。由于模擬月壤的損失不顯著，通過甲烷還原時，出現一些副產物，如水、二氧化碳和一氧化碳等，其精確的反應物質量需要進一步研究。

3.2 電化學還原法

電化學還原法是通過電極和固體/液體界面給液體中的離子或分子提供電子使其發生還原反應的方法。對月壤電化學還原，主要包括直接熔融電解法和熔鹽電解法。熔融電解法是在熔爐內放置月壤并將溫度升至1 600 ℃左右，熔融狀態月壤通電后，陰極的金屬陽離子被還原為金屬或合金，氧離子遷移陽極析出氧氣。由此，可達到制備金屬材料和氧氣的目的。熔融電解過程需保持較高溫度，熔融月壤具有一定化學侵蝕性，電極材料需要承受1 600～2 000 ℃的高溫并具有一定的耐腐蝕性，常見的如銥、鉑等貴金屬。由于月壤材料的稀缺及試驗條件的限制，目前缺乏相關研究報道。

熔鹽電解法是將月壤熔融狀態下加入熔鹽介質電解，提取金屬和氧氣的方法，其中陰極析出金屬，陽極析出氧氣。熔鹽電解法主要包括FFC[70]法和OS[71]法，如圖3 和圖4 所示。兩種方法的區別在于陰極設置差異，FFC 法的陰極是放置一定強度和孔隙的月壤燒結柱，直接電解得到氧氣和金屬物質，而OS 法是在陰極內部裝有月壤粉末樣品通過鈣熱還原法得到金屬和氧氣。

圖4 熔鹽電解法- OS 法Fig.4 Molten salt electrolysis method-OS method

2010 年，劍橋大學Kilby K T[72]等研究結果表明，模擬月壤的熔鹽電解效率在40%～60%之間，而在冰晶石熔鹽體系中電解鋁的電流效率可達95%。英國劍橋大學Kamal Tripuraneni Kilby 等[73]開展了利用石墨材料作為陽極和氧化錫（SnO2）基作為陽極進行，電解還原氧化鉻（Cr2O3）的試驗，發現用SnO2作為陽極可以提高點脫氧的電流效率，SnO2基材料的電流效率為55%；相比之下，石墨在3.0 V 和2.0 V 時分別為30%和50%。2017 年，東北大學Xie K Y[74]采用惰性陽極鋁熱還原電解法從模擬月壤1 號（MLS- 1）中提取氧氣和金屬，在冰晶石鹽介質中熔融的MLS-1 和金屬鋁加熱至980 ℃高溫持續4 h，進行鋁熱還原，得到了Al、Si 和Al5FeSi。

2020 年，英國格拉斯哥大學Bethany A.Lomax 等[75]開發了一種同時從月壤中提取氧氣和金屬的工藝裝置，該工藝裝置采用SnO2作為陽極板電解還原模擬月壤粉末顆粒，試驗樣本中大約1/3 的氧氣以氣體的形式析出，其中總氧的96%被成功提取，其余得到混合金屬合金產品，由于反應堆容器的腐蝕性而有所損失。2022 年Alexandre Meurisse 等[76]研 究 通 過將純CaCl2鹽轉變為KCl、NaCl 和LiCl 的共晶混合物來降低電化學FFC 過程的溫度。在660 ℃的所有共晶中，在24 h 內可以去除月球礦物中40%的氧、在950 ℃的CaCl2的基線條件下進行對比實驗，可以去除85%的氧氣。Yanhua Peng 等[77]研究在氬氣環境下模擬月壤與石墨混合采用高溫碳熱電化學還原方法（溫度為1 000～1 600 ℃），得到單相α-Fe，且無殘余雜質。

由于熔融電解法需要持續的高溫環境，且對于電極和反應容器具有一定的化學腐蝕性，目前的條件難以滿足熔融電解實施。因此，高性能廉價電極和電解槽材料開發及真空環境下的電解效率提升也是目前電解還原的重要方向。熔融電解直接以熔融月壤為電解質，電解得到金屬材料及基地建設所需要的氣體等，是月壤資源原位利用發展的方向。熔鹽電解所需的電解溫度較低，可成功地制備金屬和氧氣。但需要地球供給氯化物或氟化物，試驗過程中因揮發等造成的損耗也不利于電解物質的循環再利用，在月壤資源原位利用中有一定的局限性。

3.3 真空熱解法

真空熱解法是在一定真空度下，將月壤樣品在熱解器中加熱至幾百度或更高，使樣品蒸發、分解為氧化物、氣態金屬和氧氣等。最早于1992 年由Steurer、Nerad 等[78]提出氣相熱解試驗的方法，如圖5 所示。該實驗裝置將月壤顆粒作為原材料，通過聚焦板將太陽光聚集，將月壤顆粒分解出游離氧，通過冷凝線圈降低氧氣和金屬冷凝的溫度，收集氧氣。

圖5 真空熱解法分解月壤Fig.5 Decomposition of lunar soil using vacuum pyrolysis method

2002 年Colao F[79]、Nakano M 等[80]利用激光維持的等離子技術研究氧化鋁的高溫熱解，試驗結果表明，氧化鋁一旦超過沸點，就會隨著蒸發分解成各種原子和分子。月表具有豐富的太陽能源和高真空的環境，激光熱分解不需要添加還原劑即可實現金屬和氧氣的制備，是目前具有較好發展前景的月球冶金提煉方法。但是，由于激光保持等離子（LSP）的大溫度梯度難度較大，氧化鋁粉體難以加熱至汽化的溫度，其還原率始終較低，現階段研究仍存在較大的困難，需要進一步開展深入研究。2005 年，Sauerborn M 等[81]和Matchett J 等[82]采用太陽輻射能和菲涅耳透鏡聚焦太陽光的方法，在真空環境下高溫分解金屬氧化物和硅酸鹽、模擬月壤等。采用大型菲涅耳透鏡將太陽輻射聚焦在位于真空室內的一小塊模擬風化層樣品上，將樣品加熱至1 000～2 000 ℃之間，實現模擬月壤樣品的分解，并測量了壓力、溫度、質量損失、殘余氣體等，對月球表面氣相熱解對氧氣的加工和制備進行了研究。2007 年，Yabe 等[83]采用脈沖激光加熱的方式，在地球上開展了氧化鎂分解試驗，發現在高溫煅燒中產生的氣團存在中性鎂粒子，當溫度超過4 000 K 時氧化鎂熱解生成氧氣和鎂。2009 年，Burton 等[84]設計了一個采用核輻射源加熱的封閉間歇循環系統，模擬了從月壤風化層中提取氧氣的過程。

日本東京工業大學Liao S H 等[85]通過激光誘導氧化鎂生產了Mg，成功地從SiO2中去除了氧，同時得到硅和鎂。2022 年，Chengyun Wang 等[86]研究了原始低鈦模擬月壤光聚合熱處理分解工藝，獲得了抗折強度為108.8 MPa、抗壓強度為222.8 MPa 的最佳燒結件。Garrett L.Schieber 等[87]提出一種新型的間接太陽能接收器，通過太能輻照，分解月壤冰風化層，從而在月球永久陰影區域月壤中熱提取水。布倫瑞格大學Julian Baasch 等[88]利用鋁、鋁合金和模擬月壤鑄造各種鋁制構件。Matthew G.Shaw 等[89]提出了一種在月球環境條件下利用太陽能對月壤中氧化物進行選擇性熱分解以生產金屬鈉和金屬鉀的理論途徑，在800 ℃環境下第一次分解FeO，第二次分解得到Na 和K。

冶金提取技術見表2。

表2 月壤冶金提取技術總結Table 2 Summary of Moon Soil Metallurgical Extraction Technology

4 熔融月壤風化層制備玻璃纖維

玄武巖纖維是玄武巖石料在1 450～1 500 ℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。玄武巖連續纖維具有高強度、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等性能，目前已經在地球制造業中廣泛應用。

中國科學院新疆理化技術研究所馬鵬程等[90-91]與德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所合作，利用玄武巖本身含有的金屬元素，將樣品通過高溫爐加熱至1 500 ℃，持續2 h，將樣品晶相完全熔融，隨后把熔融體用水快速冷卻，得到月壤玻璃體。將月壤玻璃體粉碎后加入到連續纖維拉絲熔爐中，在1 400 ℃下保溫0.5 h，用牽引棒牽引將其繞在拉絲機上，通過控制拉絲機轉速得到具有不同直徑的連續纖維。顛覆了傳統玄武巖纖維是絕緣材料的概念，實現了導電玄武巖纖維的制備。

隨著月球基地建設的開展，利用月球玄武巖就地取材制備纖維材料、纖維材料用量比例設計與工部件形態研究、月壤纖維單件與個部件之間相互作用等，有可能成為該領域的研究重點。

5 月壤生物、生命工程就地資源利用技術研究進展

未來需要建設載人月球基地，在月球基地構建高效的植物栽培技術體系是實現受控生態生保系統功能的重要保障。月壤具備植物生長必需的元素，構建基于月壤資源的植物栽培技術體系，能夠進一步提高月球基地的獨立性和自給能力。2014 年，中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室秦利峰等[92-93]以低鈦玄武質模擬月壤作為研究對象，通過模擬月壤中的氮、磷、鉀肥力含量和礦質養分含量動態變化為研究對象，開展為期50 d 的月壤肥力生物改良實驗，發現魚腥藻和水華魚腥藻在模擬月壤上的生物量隨培養時間增加而升高，模擬月壤中的可溶性氮、總氮含量和有機碳含量增加。北京航空航天大學Zhikai Yao 等[94]，以栽培小麥苗長為指標，發現模擬月壤內部的生物具有改善固體廢物、發酵等功能。Yao 等[95]提出一種月球表面地外光合作用的途徑，通過利用太陽能對嫦娥5 號月壤樣品、水分解和CO2轉化，獲得O2、H2、CH4和CH3OH 等一系列氣體物質。這對實現“零能耗”地外生命支持系統提供了可參考的方案。

6 結論

目前國內外針對月壤資源的原位利用技術已開展了大量研究工作，月壤資源利用領域取得了一系列進展。但是由于月球空間環境的獨特性，一些已有的技術尚未成熟，缺乏對月球空間環境及地質環境等相關適應性的試驗驗證。此外，月球的超高真空和微重力特點可為資源的原位利用提供無氧反應環境、無容器生產和冶煉等，大溫差、宇宙射線強輻射給材料及產物穩定性帶來了不確定因素等，提升了部分技術的實施難度。

（1）月壤的黏結成型技術可以直接、快速地實現對復雜結構部件的制造，制得的模擬月壤樣品力學性能良好，在工業制造和建筑業具有較好的應用前景。但是制備過程中所用的活化劑溶液需使用大量的水，向月球上運輸材料成本較高且使用難度較大，并且真實月壤是否具有地聚活性還需進一步探究，所以該方法在月球上應用面臨著挑戰。

（2）硫磺混凝土具備較高的抗壓、抗拉強度、較大的彈性模量及耐腐蝕性，且可以熔融收回重復利用等優點，但是部分原材料需要從地球上輸運。地質聚合物混凝土少，整體成型結構更為致密，試件抗壓強度較好，但月面真空環境下攪拌、澆筑成型難以實現。燒結成型法易于大批量制造，生產效率高，所產出的成品需要一定熱源設備技術，未來需要在設備和工藝適應性方面開展進一步研究。

3D 增材制造技術可用于各類復雜形狀零部件的制造，所得燒結制品存在整體度差、強度較低、生產率低等缺點。月壤燒結成型研究雖然取得了一定的進步，但由于實際的月壤成分復雜，在燒結、熔融過程中可能發生一系列物理、化學變化，這給控制燒結條件帶來了困難，從而導致產物強度難以提升。月球晝夜溫差極大、太陽風、宇宙輻射強烈等惡劣環境因素導致單一的月壤燒結制品生產條件難以滿足。

（3）化學介質還原法、電解法、真空熱解法等技術在前期的研究中，取得了一定的進展。

（4）直接熔融月壤制備玻璃纖維法是較具前景的原位利用手段，但在月球環境下的適用性仍有待進一步驗證。

總體來說，當前對月壤物理特性研究及其對月球原位資源利用影響的綜合研究，缺乏基于返回樣品的月壤微觀特性、物理特性及其成因的深入分析，特別是基于月壤返回樣品、原位探測數據以及規范化月壤綜合物理特性數據庫支持的地面模擬實驗的等效驗證；缺乏基于返回樣品分析結果的月球表面鈦鐵礦、3He 以及水冰的分布特征和儲量的精確評估以及相應資源原位利用方案的優化和升級。長遠來看，可考慮同時發展月壤提取冶金技術與月壤材料化成型技術，形成原料制備、構架制造的生產鏈，實現對月壤資源的規?；?、連續化、模塊化利用。