月球矿产资源及其开发研究（4）
胡经国
（续前）
三、月球资源及其类型
据报道（20240307），月球蕴藏有丰富的金属、非金属及气体资源。目前探测表明。月球资源可分为水冰型、气体型、钛铁矿型、斜长岩型和磷酸盐型5种类型（李瑞林，2024）。
1、水冰
⑴、形态赋存
月球水冰以结合水和游离水两种形态赋存。其中，
结合水通过化学键赋存于全月月壤/岩石矿物组分中；其含量仅为120～180ppm，开采难度大、潜力低。
下图为：嫦娥五号带回来的月球样品001号；图源：网络）
游离水富集于月球两极永久阴影区月壤层；其含量高达10%，是月球水冰资源开采主要对象。月球极区可开采水冰赋存面积可达1850平方千米，估算总储量约为3×109吨。
⑵、应用
开采月球水冰资源可有效解决科研站运行、航天员驻扎和生存用水需求，是月球科研站运行和长期驻人的前提条件。在水冰通过电解等手段二次加工以后，还可用以制造氧气和氢气。月球上没有大气层，氧气是航天员月面驻扎和生存最基本条件之一。氢气液化之后可作为优质火箭燃料，有效解决月面运输、地月往返及向火星等更远星球飞行的燃料需求。因此，中国国家航天局、美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局等均将月球水冰资源开采列为本轮探月优先任务。
⑶、来源与形成
月球水冰来源于月球“岩浆洋”演化、彗星等撞击带入和太阳风注入。就游离水冰而言，月表极端低温、超高真空环境导致其只能以冰和水汽两种相态赋存。在地质演化过程中，不同来源的水冰通过“冷阱捕获”、“温度梯度迁移”、月壤层沉积、高温升华、低温凝华等复杂作用，最后在月壤层特定深度富集形成水冰资源层。
⑷、开采技术及装备研发
在开采过程中，储层中的水冰受到温度扰动极易升华相变，进而改变局部区域的真空度；温度和真空度的变化也会进一步影响水冰相态转化。同时，开采过程导致的月壤孔隙结构演化、局部温度和真空度变化导致的温压梯度，均会诱使升华之后的水汽逃逸。当前，世界各国均在积极研发月球水冰资源开采技术及装备。
2、氦-3
⑴、特性与应用
月球氦-3是在宇航员采集的月球岩石样本中发现的一种储量惊人的物质，该物质可以与氘一同参与核聚变反应堆反应，释放出大量能量。
氦-3是月球“气体型”资源的典型代表，它以吸附方式赋存于月壤颗粒之中。作为氦的同位素，氦-3包含一个中子和两个质子，能够在核聚变反应中生成巨大能量，而且还不产生中子辐射。与其它核聚变材料相比较，氦-3具有清洁、高效、可控性强等优点，是未来可控核聚变的理想燃料。同时，由于特殊的超流性、稳定性、非辐射性等特征，因而氦-3还广泛用于核磁共振造影、超低温制冷、中子探测器制造、核电站安全检测、核爆及隐藏核材料探测等国防、航天航空、医疗和低温物理等领域。然而，地球上氦-3储量极为稀缺，仅有500千克左右，这导致其价格高达每千克600万美元。
⑵、来源、富集与储量、品位
相较于地球上氦-3的珍稀性，月球上氦-3储量极为丰富。氦-3来源于太阳内部核聚变、并且以高能粒子形式通过太阳风向宇宙扩散。月球没有大气层，其磁场不足地球的千分之一，这使得太阳风能够直射月球表面并且将氦-3注入月壤层。同时，月表温度在月夜最低可达-180℃，极地永久阴影区甚至可达-250℃。极低温环境有效促进了氦-3在月壤层中吸附，并且阻止其“脱附”和向太空逃逸，进而使得其在月表富集。前期通过光谱仪等手段已经探明，月球上氦-3的品位约为30μg/g、全月氦-3换算储量高达110万吨，可作为清洁核原料供地球使用约1万年。
下图表示：月壤是月球矿产资源的重要载体（图源：中国矿业大学）。
⑶、嫦娥五号新发现
嫦娥五号采样返回以后，中国科学院在月壤颗粒非晶体玻璃质中首次发现了直径5～25纳米的氦气泡，并且受此启发提出了氦-3开采的新思路。
3、钛铁矿
⑴、储量、品位
月海玄武岩富含铁、钛等元素。探测表明，其钛铁矿含量最高可达30%，初估质量约为1100～2000万亿吨，是当前月球上开采需求和潜力最大的矿产之一。中国科学院地球化学研究所曾经做过估算，只需在月海区域40厘米深度范围内开采200立方米月壤，即可提炼10吨钛铁矿、生成1吨水。
⑵、应用
钛铁矿通过化学或物理手段提炼之后可获得铁、钛金属和氧气，为月球科研站建设和航天员生存提供必需原料。同时，钛铁矿与氢气通过化学反应（氢还原法）还可以生成水，是除了水冰开采以外，解决月球用水需求的最主要途径。
4、其它矿产资源
此外，月球高地斜长岩中富集硅、铝、钙等元素，对应氧化物含量分别高达45%、34%和20%。
克里普岩中含有大量钾、磷、稀土和放射性元素；初估稀土元素储量约为225～450亿吨，铀储量高达50亿吨，均远高于地球储量。
开采这些矿产资源除了能够供给月球基地建设、日常运维和保障航天员生存以外，还可以有效地补足地球资源的短缺。
下图为：月球角砾岩陨石；图源：网络。
（未完待续）
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