月球探测
与资源开发利用研究（20）
胡经国
三、月球资源综合开发利用研究
1、月球某些资源的开发利用前景
21世纪月球探测的主要趋势是建立月球基地，开发利用月球的矿产资源、能源和特殊环境，为人类社会的可持续发展发挥长期而有效的支撑作用。通过对月海玄武岩中的钛铁矿、克里普岩中的U、Th、REE和月壤中的氦-3在月面的含量与分布的系统分析发现：月海玄武岩中蕴藏有极丰富的钛铁矿，TiO2总资源量超过70万亿吨；钛铁矿还是月球基地生产水和火箭燃料的主要原料。克里普岩是未来月球探测与研究的热点之一。其蕴藏有巨量的铀、钍、钾、磷和稀土元素（RareEarthElemen，REE）资源。月壤长期受到太阳风的照射，使其蕴藏有极其丰富的氢、氦、氧、氮等气体资源。其中，氦-3的资源量大于100万吨。它是一种可供人类社会长期使用的、安全、清洁、高效、廉价的核聚变发电燃料。其含量与月壤的化学成分、矿物组分、颗粒大小等有密切的关系。
月海玄武岩分布在月海中，由斜长石、辉石和橄榄石组成。与地球玄武岩相比，月海玄武岩富铁而贫钠和钾。月海玄武岩年龄多数为39～31亿年，没有更年轻的。这说明月球的岩浆活动已经停止了30亿年。
克里普岩（KREEP）最早发现于Apollo-12着陆点样品。后来，在所有返月样品中都发现了克里普岩碎片，尤其以Apolio-12和Apolio-14着陆点样品中最多。克里普岩因其富含元素K、REE和P而被称之为KREEP。
月壤是覆盖在月球表面上的一层颗粒直径小于1毫米、具有黏性的细小粒子。它在月球各处的厚度不同，薄的地方只有几厘米，厚的地方有5～6米。
2、月球探明有大量有用的矿产资源
说起月球资源，大家最耳熟能详的大概就是氦-3。但是，偌大的月球又何止是氦-3，可以说月球遍地都是宝。比如月壤可以直接用于防护产品生产；还有储量远胜于地球的钛铁矿，各种稀有资源更是不计其数。而且，其开采难度小，甚至可以直接从月表提取。月球采矿的最大难题还是地月空间运输成本问题；解决这一难题需要从可复用运载火箭、月面建站、月面火箭燃料自我保障三方面着手。
3、月球上有哪些资源可供开采？
据PopularScience网报导（20190610），月球上至少有以下七种资源是人类需要的。
⑴、硅
地球上有大量的硅元素，为什么要去月球采？不是给地球用，硅可以作为半导体材料制作太阳能面板，为将来月球上的观测站供给能源。月壤中20%的成分是硅。
⑵、稀土元素
现代科技如混合动力汽车所用的电池、手机等要用到的17种导电性能很好的金属在地球上还比较稀少。月球上倒有不少，将来在那里建立开采地点，质量将不输地球上最好的稀土矿。
⑶、钛
玄武岩中富含的轻金属钛，占月壤8%左右。它主要存在于含铁和氧的矿物钛铁矿中，提炼钛的同时也能得到其它有用的资源。
⑷、铝
月球上的高地，即月球表面明亮的区域——月陆富含铝元素。铝是建筑、航天、医疗领域很需要的又一种既轻又坚固的材料。月球高地大约10～18%含铝。
⑸、水
如果月球两极的常年阴影地带的冰的储量与南部Cabeus陨石坑相当，那么人们将有29亿吨水资源供饮用和农场灌溉。如果将这些水分解成氢气和氧气，那么这些燃料将足够送飞船去火星。
⑹、贵重金属
我们还不明确月球上有多少类似铂一样的贵重金属，但是新一批的登月探测器会找到它们。这类金属是很好的导体，而且不活跃，是制造电子器材和植入设备(如起搏器)的理想材料。
⑺、氦-3
氦-3是氦的同位素之一。使用氦-3作为能源时不会产生辐射，不会对环境带来危害。尽管很稀有，只有十亿分之二十，但是月球上一些地点如阿波罗11号登月的着陆点“宁静之海”（SeaofTranquility），氦-3的含量比地球上高得多。地球的大气层挡住了通过太阳风吹来的氦-3元素，而月球大气层很稀薄，因而月球土壤中氦-3含量比地球高得多。
4、月球上有多少可利用的资源？
月球上可利用的资源有物质资源、环境资源、信息资源和战略资源。
⑴、物质资源
月球主要资源的探测尚处于初步阶段。也就是说，现在能说出来的月球资源只是其凤毛麟角，甚至是不精确的估计。月球的物质资源是一门新兴的学科领域，称之为月球表面地理。根据嫦娥一号、二号工程以及美国、前苏联的公开资料中的数据，月球的主要浅表矿产资源包括：
①、月海玄武岩
富含铁和钛。
②、斜长岩
富含钾、磷以及稀土元素、钍、铀等。
③、月壤
除常见元素之外还富含氦-3、铈、铼、锌。
其中，月球上的铁主要以氧化铁的形式存在。其冶炼难度较地球上的铁矿来讲是相当低的。实际上，这相当于在地球上回收废旧钢铁的冶炼难度。
钛含量以及冶炼难度等均没有得到任何数据支持。
关于稀土元素，如果不计美、苏带回来的380Kg的月球表面样本的话（实际上也不应该计算，因为它不具有全月代表性），此项数据仅仅被中国嫦娥工程探测过，该数据属于国家机密。
关于氦-3，首先，这个元素在地球上是几乎不存在的。其次，这个元素的主要用途是用作星际旅行的主要“燃料”，高能而且是100%清洁的聚变能源。能够这么说主要是因为氦-3在进行核聚变反应时是不释放中子的。这也就省去了很多的辐射保护的麻烦。氦-3蕴含量是100万吨。而且，粗略计算表明，每100吨氦-3提供的能量即可供目前全球一年的能量消耗。
⑵、环境资源
月球是一个理想的空间实验场所，主要是因为月球拥有以下环境资源：
①、大温差
环形山阴面的温度可以达到－170～－200℃不等。在这个温度区间内可以很轻易地使得超导效应生效，提供了良好的超导技术实验环境。这么大的温度环境范围为存储不同存储条件的物质也提供了极大的便利。在有光照的时候，温度可以达到200℃以上；可以进行一系列的热材料学实验以及温差发电。
②、丰富的太阳能
由于月球几乎不存在大气，因而太阳能的应用水平是与空间环境等价的。这将极大的方便在月球进行能量的收集。
③、几乎没有大气
没有大气意味着可以无差别地进行星空探测；白天、黑夜都有很好的星空条件，在月球上直接建立大型光学的和射电的天文观测站。
④、低重力环境
低重力环境同样对于材料学、化学、物理学等等有着非常大的促进作用。低重力环境会使得在月球进行重工业建设变得很轻易，运输也会很简单。
⑤、丰富的太阳风和宇宙射线
对太阳风、恒星风以及宇宙背景辐射、恒星辐射的观测条件甚优。另外，对中微子天文学（间接促进量子物理学）的发展有着很大的帮助。而宇宙射线的极大丰富则对基因诱变育种十分有利。
⑶、信息资源
信息资源是一种新型的压倒性优势。实际上，月球本身就是一个巨大的信息资源。作为未来地球人类第一个第二家园，对这颗星球的了解程度的多少直接决定了人类什么时候能够移居上去。月球信息资源包括但不限于：月球物理（包括地理、地表地理、大气等等）、天文（光学天文、射电天文、中微子天文）。
⑷、战略资源
①、月球有一面始终没法在地球上观测到
这也就是说，在没有环月人造天体对月球进行观察的时候，任何个人或组织在月球背面做的事情都是不能被地球上观察到的。试着想想吧：在上面存放核弹、销毁机密、进行军备竞赛。
②、在月球可获得很高的能量而且成本很低
首先，这句话是有前提的，即月球基础设施健全。这也就是说，在月球上有足够的物质、信息资源准备的前提下，可以很轻松地在月球上获得现在看来任意数量的能量，并且可以送到地球上的任意地方，无论是将其用于毁灭人类还是用于造福人类。
5、月球上有哪些资源？
据研究，在45亿年以前，月球表面是一片液体岩浆海洋。科学家认为，组成月球的矿物——克里普矿物（KREEP）展现出了这个岩浆海洋留下的化学线索。KREEP实际上是科学家称为“不兼容元素”的合成物。那些无法进入晶体结构的物质被留下，并且浮到岩浆的表面。在研究月球时，KREEP是个很方便而且重要的线索。从中可以看出月壳的火山运动历史，同时也可以推测出彗星或其他天体撞击的频率和时间。
月壳是由许多化学元素组成的。其中，主要化学元素有：铀、钍、钾、氧以及硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢。当受到宇宙射线轰击时，每种元素会发射特定的伽玛辐射。有些元素，例如铀、钍和钾，本身已具放射性，因此能自行发射出伽马射线。但是，无论成因为何，每种元素发出的伽马射线均不相同；每种均有独特的谱线特征，而且可用光谱仪测量。迄今为止，人类对月球元素的丰度还是没有作出全面性的测量，而只限于月面一部分。
从多次对月球的勘探来看，月球蕴藏着极为丰富的矿产资源。据介绍，月球上稀有金属的储量比地球还多。月球上的岩石主要有三种类型：第一种是富含铁、钛的月海玄武岩；第二种是斜长岩，富含钾、稀土和磷等，主要分布在月球高地（月陆）；第三种主要是由0.1～1毫米的岩屑颗粒组成的角砾岩。月球岩石中的元素含量是极为丰富的。不仅含有地球上的全部元素和大约60种的矿物，其中还有6种矿物是地球上所没有的。
月球上还有着极为丰富的矿产资源。对于地球上常见的17种元素，月球上分布得到处都有。以铁为例，仅月面表层5厘米厚的沙土就含有上亿吨铁；而整个月球表面平均有10米厚的沙土。月球表层的铁不仅异常丰富，而且便于开采和冶炼。据悉，月球上的铁主要是氧化铁，只要把氧和铁分开就行；此外，如今的科学家还研究出了利用月球的土壤和岩石制造水泥和玻璃的办法。
月球土壤是一种宝贵的资源。它含有大量的氦-3。通过利用氘和氦-3可以进行核聚变，以此作为核电站的能源。这种核聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变。不仅可用于地面核电站，而且还特别适合宇宙航行。据悉，月球土壤中氦-3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦-3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。从目前的分析看，由于月球的氦-3蕴藏量大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。获取氦-3也成了许多航天大国对月球进行开发的重要目标之一。
月球上还分布着22个主要的月海。除了东海、莫斯科海和智海这三个月海位于月球的背面以外，即背向地球的一面，其他的月海都分布在月球的正面。在这些月海中，存在着大量的月海玄武岩。22个海中所填充的玄武岩体积大约1010立方千米。在月海玄武岩中蕴藏着丰富的钛、铁等资源。若假设月海玄武岩中钛铁矿含量为8%，则月海玄武岩中钛铁矿的总资源量约为1.3×10^15～1.9×10^15。尽管这种估算有着很大的不确定性和推测性，但是有一点却可以肯定，就是月海的玄武岩中含有极其丰富的钛铁矿，而钛铁矿则是未来月球开发利用的最重要的矿产资源之一。
克里普岩富含钾、稀土元素和磷，是月球高地（即月陆）三大岩石类型之一。克里普岩在月球上分布很广泛。富含钍和铀元素的风爆洋区的克里普岩被后期月海玄武岩所覆盖，与克里普岩混合并且形成高钍和铀物质，其厚度估计有10～20千米。风暴洋区克里普岩中的稀土元素总资源量大约为225～450亿吨。此外，它还蕴藏着极为丰富的钍、铀，而这也是未来开发利用的重要矿产资源之一。此外，月球上还分布着大量金属矿产资源，如铬、钠、镁、铜等。
6、月球丰富的矿产资源
月球资源非常丰富。月球拥有丰富的矿藏。天文学家探索得知，月球上稀有金属的储藏量其实比地球还多。月球上的岩石主要有以下3种类型：①、玄武岩，富含铁、钛，主要分布在月海。②、斜长岩，富含钾、稀土和磷等，主要分布在月球高地。③、角砾岩，由粒径0.1～1毫米的岩屑颗粒组成。总之，地球上有的金属元素在月球上都有，而且月球上还有6种金属元素矿物是地球上所没有的。
月球矿产资源极为丰富。地球上最常见的17种元素，在月球上比比皆是。比如铁，在月面表层5厘米厚的沙土中就含有上亿吨的铁。而整个月球表面平均有10米厚的沙土，可想而知月球矿产资源是何等丰富。月球表层的铁不仅异常丰富，而且开采冶炼起来也很方便。研究发现，月球上的铁主要是氧化铁，只要把氧和铁分开就行。此外，科学家还发现利用月球土壤和岩石可以制造水泥和玻璃。另外，在月球表层铝的含量也十分丰富。
月球土壤中还含有丰富的氦-3。用氘和氦-3进行的核聚变所获得的能量可作为核电站的能源。这种核聚变很容易控制，可以同时利用于地面核电站和宇宙航行等；而且它不会产生中子，安全无污染。据悉，月球土壤中氦-3的含量估计为715000吨。这样一个可观的数目，对于能源紧缺的地球来说意义非常重大。对氦-3的研究已经成为各大国进军月球的重要目标之一。
在克里普岩中所蕴藏的丰富的钍、铀也是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源之一。此外，月球还蕴藏着丰富的铬、镍、钠、镁、硅、铜等金属矿产资源。
7、月球资源开发利用难度极大
大家知道，地球上的资源是有限的。尽管大部分资源仍然存在于接近地球核心的地壳之中，但是将来这些资源毕竟有枯竭的一天。这种状况会对地球的生态和环境造成非常大的影响。所以，地球人类将目光投向了其他的星球，而对月球的探索是相对来说进程比较靠前的。在20世纪，人类就已经开启了登月的历史；而在21世纪开始，又不断开发着登月新技术。随着勘探技术进步，人们逐渐发现在月球上也有着许多非常珍贵的资源，比如一些钛金属和一些氦-3气体。这些资源在地球上的储量显然是非常稀缺的。但是，在月球上由于它的地表环境和它没有大气层，因而导致这些月球资源的储量非常丰富。那么，能不能将这些资源运回地球加以利用呢？
其实，不少科学家曾经都提出过这样的构想。但是，由于目前技术的限制和开发成本过高等因素而放弃了。首先，月球表面环境是非常不稳定的。如果想要在月球表面建立一些比较稳定的资源开采设施，那么很有可能会遭遇来自太空的各种陨石碎屑以及各种大小行星的撞击危险。我们知道，月球上之所以会有这么多的撞击坑，主要也是由于许多陨石在月球表面坠落撞击而形成的。如果要在月球表面建立这些开发设施，那么必然也需要防范这些太空危险的威胁。如果不能很好地应对这些太空威胁，那么有可能花费几十亿元建造的开发设施就会在顷刻间遭到毁灭。
2019年12月19日编写于重庆
2020年1月18日修改于重庆
2020年4月5日修改于重庆
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