月球矿产资源及其开发研究（6）

月球矿产资源及其开发研究（6）

胡经国



（续前）

五、月球火山

1、月球火山分布特征

地球火山多呈链状分布。例如，安底斯山脉的火山链勾勒出一个岩石圈板块的边界；而夏威夷岛上的山脉链则显示板块活动的热区。

月球上没有板块构造的迹象。典型的月球火山多出现在巨大古老的冲击坑底部。因此，大部分月球阴暗区都呈圆形外观。撞击盆地的边缘往往环绕着山脉，包围着阴暗区。

月球阴暗区主要出现在月球较远的一侧。几乎覆盖了这一侧的1/3面积。而在较近一侧，阴暗区面积仅占2%。然而，较远一侧的地势相对更高，地壳也较厚。由此可见，控制月球火山作用的主要因素是地表高度和地壳厚度。

2、月球火山年龄特征

与地球火山相比，月球火山可谓“老态龙钟”。大部分月球火山的年龄在30～40亿年之间；典型的阴暗区平原，其年龄为35亿年；最年轻的月球火山也有1亿年的历史。而在地质年代中，地球火山属于青年时期，一般年龄皆小于10万年。地球上最古老的岩层只有3.9亿年的历史，年龄最大的海底玄武岩仅有200万年。年轻的地球火山仍然十分活跃；而月球则没有任何新近的火山地质活动迹象，因此，天文学家称月球是“熄灭了”的星球。

3、月球火山与玄武岩

月球表面被巨大的玄武熔岩层（火山熔岩层）所覆盖。早期的天文学家认为，月球表面的阴暗区是广阔的海洋，因此，他们称之为“Mare”；这一词在拉丁语中的意思就是“大海”；当然这是错误的，这些阴暗区其实是由玄武熔岩构成的平原地带。除了玄武熔岩构造以外，月球阴暗区还存在其他的火山特征。其中，最突出的，例如蜿蜒的月面沟纹、黑色的沉积物、火山园顶和火山锥。不过，这些特征都不显著，只是月球表面火山痕迹的一小部分。

月球的地心引力仅为地球的1/6。这意味着，月球火山熔岩的流动阻力较地球更小，熔岩流动更为流畅。这就可以解释，为什么月球阴暗区的表面大都平坦而光滑。同时，流畅的熔岩流很容易扩散开，因而形成巨大的玄武岩平原。此外，地心引力小，使得喷发出的火山碎屑能够落得更远。因此，月球火山的喷发，只形成了宽阔平坦的熔岩平原，而非类似地球形态的火山锥。这也是月球上没有发现大型火山的原因之一。

4、月球火山活动与水

月球上没有溶解的水。月球阴暗区是完全干涸的。而水在地球熔岩中是最常见的气体，是激起地球火山强烈喷发的重要因素之一。因此，科学家认为，缺乏水分也对月球火山活动产生巨大影响。具体的说，没有水，月球火山的喷发就不会像在地球上那么强烈，熔岩或许仅仅是平静流畅地涌流到地面上。

六、月球矿产资源开发利用

1、月球的未来价值

据报道，月球在未来的主要价值不是居住，而是：

⑴、发射或中转基地

由于月球重力为地球的1/6，逃逸速度低，没有大气摩擦，因而从月球上发射航天器所需能量比地球少。月球两极有水冰，可以利用太阳能分解为氢、氧作为燃料补给，并且用月岩3D打印制成低温容器埋藏保存。未来从月球出发的航天器，可以考虑直接利用月球上的材料制造。

⑵、矿产资源基地

在月球上的陨击坑中、KREEP岩分布区，富集有较丰富的钛铁矿、铂族元素、稀土等矿产资源。

⑶、能源基地

月球能源资源包括月壤中富集的氦-3和月昼区的太阳能。月球上磁场弱，来自太阳风的氦-3可以吸附保留在月壤中；氦-3是受控核聚变的重要原料。另外，月球没有大气，月昼时间长，单位面积太阳辐射功率至少是地球表面的2倍。2016年，杨溢发明的一种PET-分子筛复合材料膜，可以直接从固溶体中分离氢和氦。这种材料可以重复使用，成本不贵。

⑷、特种材料制备基地

月球上拥有大量钙钛矿，可用于高转化率太阳能电池的原材料。另外，月壤制成的水泥强度大于地球岩石制成的水泥。

⑸、天文观测基地

月球没有大气散射与地磁场影响，适合开展高分辨率光学望远镜、射电望远镜、太阳风观测平台建设（杨溢）。

2、月球采矿及其难度与对策

⑴、月球采矿概述

月球表面矿物开采着陆器，曾经计划在2015年发射。如果一切顺利的话，那么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我们开采月球矿物的首要任务；其次将进行采矿技术的测试；最后将把矿物样本带回地球。科学家曾经估计，在未来10年或者20年内，工业规模的月球矿物开采和加工系统将得到部署。早期在月球采矿的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物开采的先锋装置。

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，也就是说月球矿物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。

⑵、月球采矿难度与对策

据报道（20240307），尽管月球上矿产资源储量丰富、开采潜力诱人，但是其开采与地球采矿相比较则具有巨大难度（李瑞林，2024）。

①、极端环境造成巨大难度

月表重力仅为地球的1/6，真空度高达10-14Torr，白天温度可达127℃、夜间低至-250℃。小重力、超真空和极端温度环境，导致月壤层呈现出特殊的物理力学响应和独特的月壤－机械结构相互作用，也对机械结构、材料性能提出了极高挑战。此外，月表广泛分布表面锋利的超细粒月尘，极易吸附、磨蚀机械结构和引发航天员呼吸系统损伤、神经炎症。月表频繁遭遇陨石撞击，速度高达每秒20千米；月核冷却引发的“逆冲断层”导致月震频现，强度可达5级～6级，持续时间达10分钟、平均频率约每年500次；月表宇宙辐射强度高达300mSv/a，是航天员允许承受值的6倍。

②、独特的工程特征

受月面极端环境、地月运输成本等影响，月球采矿具有独特的工程特征。

首先，月球采矿必须从选址、方案设计、设备研制、原位开采等环节统筹考虑小重力、超真空、极端温度、陨石冲击、月震、辐射等极端环境的直接影响和潜在威胁。

其次，地月运输成本高达每千克50000～90000美元，从地面大规模运输能源、材料是不现实的，必须尽最大可能地原位利用月球资源，实现月面物资自给。

最后，月球采矿必须实现无人化、智能化，开采设备需一机多能、多机协同，尽可能降低地面发射数量与成本。

③、“月球基地－资源智能化协同建采”技术体系

月表可开采资源均赋存于月壤/月岩地层中，月球采矿是典型的多资源共采工程。

近年来，刘瑞林团队充分发挥中国矿业大学在采矿领域的技术优势，针对国家月球基地建设与矿物资源开采重大需求，统筹考虑月表极端环境影响及月面工程特性需求，构建了“月球基地－资源智能化协同建采”技术体系。该技术以“智能化协同建采”为基本理念，依托多功能智能机器人，通过多机协同方式同步开展月球基地建设与矿产开采，以最小的工艺代价和设备投入，同步实现勘探评估、基地建设与矿产开采三大工程任务，可达到多赢的工程效果。

④、特点与对策

当前，世界各国月球采矿技术体系和基础理论研究均处于起步阶段，还有诸多难题亟待攻克。与月球初探阶段“轻型荷载、科学探测”有所区别，月球采矿以“重型机具、工程建采”为主，呈现出开采机器自重更大、机－壤作用更显著、月壤屈服破坏更复杂等特点。

当前亟须开展科研攻关，系统获取原位月表环境下月壤/岩力学响应。

其次，月球采矿涉及场地加固、边坡支护等问题，其核心是月面建筑材料供应。月壤是月面储量最大的潜在建筑原材料，研发月面极端环境下的月壤原位固化成型方法及支护技术体系，可有效解决月面建筑材料难题。

此外，月球水冰资源及月壤/岩组分矿物的开采、分离与纯化方法是当前月球采矿需要攻关的核心难题。高纬度冲击坑内永久阴影区的霜冻层及下部月壤层中的水冰富集层是目前月球上开采潜力最大的水冰资源。超真空和极端温度环境下，水冰呈现出显著不同于地表的赋存及逃逸特征，对此目前已提出了“温控贯入开采”等多种开采方法。月壤/岩组分矿物的原位分离纯化是地质演化逆过程，月表小重力、超真空和极端温度环境对资源的分离纯化工艺的影响目前也还不明确。

⑤、中国矿业大学两套核心重器研制成功

月球采矿技术从实验室走向工程应用以前，必须经过大规模地面物理模型试验和验证，以确保其可靠性。开展此类试验需要解决两个“卡脖子”难题——月表极端环境地面模拟与大型月面工程结构“时空压缩”。

中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室目前已研制成功两套核心重器，成功解决了以上难题。第一套是“小重力场等深空环境星壤工程物理模拟试验系统”。该系统在国际上首次实现了1/6g重力、10-8Torr真空、-180～180℃温度环境的长时间、高精度模拟，构建了月表极端环境地面模拟平台。第二套是“400gt超重力离心模拟试验系统”。该系统基于高速旋转营造离心力场，为揭示原位开采响应及灾变过程提供了可靠平台。

（未完待续）









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