月球探测
与资源开发利用研究（22）
胡经国
15、如何利用月球资源？
人们根据月岩样品及大量有关资料的研究与分析，确定了月球优先生产的产品原则，主要是充分利用月球资源，为扩建月球基地而生产必需的原材料，重点是制氧、金属冶炼、建筑材料制备等。为了实现这一目标，人们已对月球上的加工厂生产工艺流程及制备方法进行了多方面的详细研究。
⑴、利用月球岩石制氧
科学家很早就开始了从月球表面土壤中提取氧的方法的研究。他们利用“阿波罗”飞船取回的月球沙土进行实验。在1000℃的高温下，通过月沙中的钛铁矿与氢接触生成水，再将水通过电解提取氧。研究表明，提取1吨氧，大约需要70吨的月球表土。考虑到月球上生产的特殊情况，建议在月球基地建设的同时，应考虑配备一套小型的化学处理设备，利用太阳能作动力，每天大约可制备出100千克的液氧。
其具体流程是：利用月球岩石在高温下与甲烷发生反应，生成一氧化碳和氢。在温度较低的第二个反应器中，一氧化碳再与更多的氢发生反应，还原成为甲烷和水；然后使水冷凝，再电解成氧和氢，把氧储存起来供使用，而氢则送入系统中再循环使用。
据预测，月球制氧设备最初是为给月面上的航天员提供氧气之用。但是，他们需要的氧气并不多，一个12人规模的基地，每月只需要350千克氧气。而一套制氧设备在连续工作以后，可生产出相当数量的氧气。因此，在月球基地建设时，应同时建造一个永久性的液氧库，以便供给航天器作为低温推进剂燃料使用。
⑵、利用制氧矿渣制钛
十分有意义的是，在制氧过程中，经过化学处理后得到的“矿渣”，却都成了上等副产品。这是因为，它含有丰富的游离硅和可供冶炼的金属氧化物，只要采用适当的工业方法便可以继续加以冶炼，炼制出工业上极有使用价值的金属钛。
科学家们提出的制钛工艺流程是：将制氧“矿渣”通过机械粉碎、磁选，提取出钛的氧化物；在1273℃高温下加氢处理，生成氧化钛；再以硫酸置换出其中的铁；接着和碳混合，在700℃的温度下通入氯气，经过化学反应后生成四氯化钛；然后，在2000℃高温下加热，投入镁以便脱氯，最终得到熔融状态的钛。
⑶、利用月岩制铝
铝的制造方法更为新颖。月面上的铝是斜长石的组成成分。科学家经过反复试验与研究，提出了一套炼铝的新工艺。
具体做法是：将月岩粉碎，在1700℃下加热熔化，然后在水中冷却至100℃，制成多质的球；再经粉碎，在其中加入100℃的硫酸，即可浸出铝；在用离心分离法和过滤法除去硅化物以后，再将它在900℃的温度下进行热解反应，得到氧化铝和硫酸钠的混化物；随后，洗去硫酸钠并进行干燥，再与碳混合加热的同时，加入氯气与之进行反应，生成了氯化铝；经过电解，获得最终产品纯铝。
⑷、利用月球土壤制玻璃
建筑业离不开玻璃，因此在月面上生产玻璃显得尤为重要。通常的玻璃由71％～73％的氧化硅，12％～14％的硫酸钢，12％～14％的氧化钙组成。
在月球土壤中含有40％～50％的氧化硅。在月面上制造玻璃是以氧化硅为主。其精制方法较为简单。在月球土壤中根据需要加入各种微量添加物，用硫酸溶解出一些无用的成分之后，在1500～1700℃的温度下熔化；然后经过压延冷却，即可制成月球玻璃。
现在，月球资源开发利用从研究阶段进已人试生产阶段。试生产阶段规模不大，需要进一步扩大再生产，使月球生产活动逐步走向批量生产的轨道。从上所述，我们可以理解建立月球基地的经济意义。
16、月球氦及其它矿产资源开发
月球氦是指月球上的氦物质。其中，氦-3含量丰富，可以与氘一同参与核聚变反应堆反应，释放出大量能量。这是将来地球人类探索月球的重要条件。
私人航天企业计划于2015年发射月球着陆探测器，未来10年至20年，月球采矿业务将兴起，储量丰富的氦-3将为人类提供强大的新能源。
据国外媒体报道，未来10年至20年，月球上或将出现一派繁忙的景象。私人航天企业将开发月球，试图把月球打造成为太空旅游的目的地。同时，还计划开采月球上的矿产资源。最新的任务计划表希望在2015年测试机器人登陆月球。月球上的矿产资源可以满足人类的需求，比如含量丰富的氦-3就是其中的一种。宇航员采集到的月球岩石样本中发现了储量惊人的氦-3，该物质可以与氘一同参与核聚变反应堆反应，释放出巨大的能量。
显然，外太空中拥有庞大的矿产资源。人类航天发展的目的之一就是要开发利用这些矿产资源。我们可以同样在小行星或者其他近地天体上，找到诸如黄金、钴、铁、钨等物质，因为它们本来就来源于小行星撞击。科学家认为，月球是一个优良的天体矿区。由于月球没有大气、没有明显的构造活动，因而小行星撞击月球后这些矿产资源都堆积在月球表面，只要展开对月球表面的开发，我们就能有所收获。
月球的引力场对天体资源开采计划而言是一个很大的利好条件。这意味着在地球上使用的黄金或者铂金开采设备，可以进行微小的修改即可满足在月球表面使用。当然，我们在开采月球矿产之前，必须将这些设备投放到月球表面上去。登陆月球的技术已经存在，但是在阿波罗任务之后，人类似乎失去了在月球上着陆的能力。如果未来数年内私人航天企业成功登陆月球，那么将是一次重大事件。因为这是前无古人的壮举，将彻底改变了航天活动的模式。
登陆月球也并不是非常困难。私人航天企业可以凭借美国宇航局的技术优势减少重复性的研发工作。比如，在艾姆斯研究中心就有一个月球探测器的蓝本，其命名为月球大气和粉尘环境资源探测器。私人航天企业完全可以参照该平台设计出相同功能的着陆器。该技术可以为2015年以后登陆月球提供帮助。一旦我们可完成月球着陆器的设计并安全降落月球表面，开采矿产资源的任务就会有很大的希望。通过返回式火箭将物资送入月球轨道，再到地球轨道，然后降落的地球表面。
月球表面矿产资源开采着陆器，计划在2015年发射。如果一切顺利的话，可以部署第一个采矿设备，验证地球和月球之间的物资转移通道是开发月球矿产资源的首要任务。其次，将进行采矿技术的测试，最后将把样本带回地球。科学家估计，在未来10年或者20年内，工业规模的月球矿产开采和加工系统将得到部署。早期月球采矿机器人不需要非常庞大，体积可以很小；一张办公桌大小的机器人就可以处理数量庞大的挥发性以及矿物材料。比如，美国宇航局研制的RESOLVE机器人，旨在开采月球上的水资源。这个平台将是月球矿产开采的先锋装置。
需要注意的是，根据联合国“外层空间条约”，月球如同地球上的国际水域，不受任何国家的管辖。但是，私人公司可以在这里勘探作业；这些资源是共享的。也就是说，月球矿产的开采类似于在公海上捕鱼。已经有数家私人航天企业展开对登月任务的设计。SpaceX公司已经走出了一条商业航天的道路，凭借成熟的技术优势打造出“龙”式飞船和猎鹰9号火箭。私人公司的介入也将降低登月成本。
根据目前的航天技术，登月飞船的推进系统、航天电子设备、发射装置以及航天器的设计都不存在问题，到月球上采矿将会变得更加廉价。当然，也有企业家提出，可以开采地球深海矿产资源。虽然地球海底存在我们需要的矿产资源，但是开采行为必然将牺牲地球脆弱的生物圈。地球的资源需要谨慎开发利用。
17、月球资源潜能巨大
俄罗斯国家航天公司总裁德米特里·罗戈津祝贺中国完成太空探索史上首次探测器在月球背面着陆。罗戈津对中国国家航天局局长张克俭说：“我想代表俄罗斯国家航天公司以及我个人，祝贺您和中国国家航天局全体人员顺利开启嫦娥四号的使命——人类历史上首次在月球背面软着陆。”
罗戈津指出，“我们很高兴嫦娥四号设备使用了由俄方制造的放射性同位素电源”。他相信俄中“将有更多机会开展高效合作”。
中国由于成为第一个将航天器降落在月球背面的国家而进一步赢得自豪感和威望。通过取得的经验、开展的试验以及与其他国家的合作，这将惠及全人类。探月行动可以测试新方法和新材料。月球还拥有丰富的矿产、能源以及像钛和铀这样的稀土元素。
探月行动的高昂成本和专业知识意味着中国无法独自开展工作。嫦娥四号的合作伙伴包括德国、荷兰、沙特和瑞典。中国人可以自豪，不过所有人都将受益。
在中国首次将宇航员送入太空轨道15年之后，它成为第一个在月球背面成功实现无人飞船着陆的国家。
中国的进步会否引起其他国家担忧呢？欧洲航天局国际月球探测工作组执行主任伯纳德·富万指出，任何进展都有益于更广阔的世界。他说：“中国展现了巨大的进步和与国际伙伴合作的意愿。”
科研人员说，探月行动在资源方面具有巨大潜能，有些资源可能会解决人类至少1万年左右的能源需求。
1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极－艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，实现了人类探测器首次在月球背面软着陆的壮举。
18、月球资源价值数十万亿美元
美国政府正越来越依赖私营公司来探索和开发太空技术，无论是前往国际空间站、重返月球表面还是首次将人类送上火星。
NASA目前专注于与SpaceX、波音等公司合作，而不是自己承包和运营火箭及航天器。在参加于美国加州图莱里举行的世界博览会时，NASA局长吉姆·布里登斯廷（JimBridenstine）和记者讨论了美国太空探索的关键项目。
最紧迫的话题是NASA的“商业载人”（CommercialCrew）计划。该计划旨在利用美国的力量来运载宇航员。目前，该项目正处于测试的最后阶段。自2011年美国航天飞机退役以来，该国宇航员只能乘坐俄罗斯的联盟号宇宙飞船才能前往国际空间站；每个席位的成本高达7000多万美元。
“商业载人”项目竞争十分激烈，波音、SpaceX以及它们各自的Starliner和“龙飞船”（CrewDragon）需要就NASA的合同展开争夺。在商业运营或终止测试之前，两家公司都还有两次测试飞行需要完成。NASA表示，SpaceX计划在3月2日进行Demo-1试飞。届时将不会搭载机组人员，而波音则预计不会在4月前进行无人试飞。两家公司的第二次试飞将是首次载人飞行。
此外，SpaceX表示，其Demo-2载人试飞将会在今年7月进行，同时波音的目标是不早于8月开始载人试飞。然而，布里登斯廷称，这并不意味着SpaceX一定会先于波音实现载人发射。
“我认为，波音的非载人测试和载人测试之间间隔的时间将会更短，而SpaceX两次测试间隔的时间将会更长。这意味着，谁能率先进行载人飞行还是个未知数，”他说。
虽然计划在过去数年多次延迟，但是布里登斯廷表示，他非常有信心到今年年底能够“利用美国造火箭在美国本土发射美国的宇航员。”
在谈到NASA的另一个载人航天计划时，布里登斯廷强调了美国总统特朗普的声明，即美国必须让美国人重返月球表面并且登陆火星。NASA将在周四下午公布有关重返月球计划的更多信息，内容主要关于登月飞船。布里登斯廷说，NASA的登月计划也“有可能采用公私合作”，并且进一步解释了他对潜在登月客户的看法。
“我前面说的许多客户是指主权国家的宇航员项目，还有太空旅客，同时我们自己也是客户之一。我们现在要做的就是采用这种（公私合作）模式，将其应用于地球和月球之间的所有相关项目上。这样我们才能持续重返月球。”
布里登斯廷说：“我们的目标是在2024年重返月球表面。”
为什么要重返月球？一个原因是月球表面的资源，包括“冰块”和稀有金属。布里登斯廷说，这些资源可能价值“数十万亿美元”。
“2009年，NASA发现，月球表面有数千亿吨的冰块。这是什么意思？这意味着你有空气可以呼吸：氧气。你有水喝：H2O。这些冰块还可以分解成火箭燃料，即氢和氧。我们还相信，月球表面的贵金属价值十分巨大。这里所说的贵金属可不是地球金属。月球上面的铂类金属来自数十亿年前的小行星撞击。”
最后，布里登斯丁谈到了NASA将宇航员送上火星的长期目标。他预计这一目标将在2030年后的某个时候实现。他说，特朗普并没有告诉他要“不惜一切代价”让人类登陆火星，尽管总统“非常有兴趣”加快NASA的火星计划。布里登斯丁相信，人类仍有机会在火星上找到活着的有机物。
19、月球上蕴藏着大量自然资源
2019年1月3日的朋友圈被首张月背图刷屏。当日10时26分,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面预选着陆区，并通过“鹊桥”月球中继星传回世界上第一张近距离拍摄的月背影像图。
众所周知，人类探月的征途早就起步且越来越快。那么，月球上到底有什么宝贝让人如此着迷？月球上还拥有巨大的能源储备。庞之浩说，月球被称为21世纪的波斯湾，最主要的燃料是氦-3。
“由于月球没有大气层，因而月球表面土壤中蕴藏有大量通过太阳风吹来的氦-3资源。这是一种清洁、安全和高效的核聚变发电燃料。用它进行核聚变发电可提供便宜、无毒和无放射性的能源。所以，氦-3被科学界称作‘完美能源’。”庞之浩介绍道，据保守估计，月壤中蕴藏有100万吨氦-3；用它发电可以满足地球1万年的能源需求。
俄罗斯的一项估算显示，1吨氦-3的价值约为100亿美元，用飞船从月球运回1吨氦-3的总费用为2000～4000万美元，开发月球氦-3有利可图。
此外，庞之浩说，月球上蕴藏着大量的自然资源，已知有100多种矿物，其中，5种是地球上没有的。“月球上蕴藏有丰富的钛、铁、铀、钍、稀土、镁、磷、硅、钠、钾、镍、铬、锰等矿产，仅月海玄武岩中就蕴藏有至少100万亿吨可开采利用的钛金属。”
与此同时，由于月球表面几乎没有大气，因而太阳辐射可“长驱直入”，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，太阳能的能量密度为1.353千瓦/平方米，“在月面可以建造高效率的太阳能发电站。”庞之浩认为，在月球上建设核电站也有优势，因为在那里不用担心核泄漏等。
20、月球岩石与矿产资源
据研究，在45亿年以前，月球表面是一片液体岩浆海洋。科学家们认为，组成月球的矿物——克里普矿物（KREEP）展现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；那些无法进入矿物晶体结构的物质被留了下来，并且浮到岩浆表面。在研究月球的时候，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月球的频率和时间。
月壳由许多元素组成的。其中的主要元素有：铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢。当月球受到宇宙射线轰击时，每种元素都会发射出特定的伽玛辐射。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，每种元素都有独特的谱线特征，而且可用光谱仪测量。迄今为止，人类对月球元素的丰度还没有作出面性的测量，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藏。据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。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；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。
月球上还蕴藏有丰富的矿产资源。对于地球上常见的17种元素，在月球上也到处都有分布。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可进行核聚变，以之作为核电站的能源。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背面以外，其他的月海都分布在月球正面。在这些月海中，存在着大量的月海玄武岩。在22个海中所填充的玄武岩体积约1010立方千米；而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1.3×1015～1.9×1015。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。
2019年12月19日编写于重庆
2020年1月19日修改于重庆
2022年4月6日修改于重庆
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