月壤原位利用技术研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 月壤原位利用技术研究进展 车浪王彬赵鹏飞朱洪斌程鹂李光石张永合鲁雄刚 Research progress in the in-situ utilization of lunar soil CHE Lang.WANG Bin,ZHAO Peng-fei,ZHU Hong-bin,CHENG Peng.LI Guang-shi.ZHANG Yong-he,LU Xiong-gang 引用本文： 车浪，王彬，赵鹏飞，朱洪斌，程鹏，李光石，张永合，鲁雄刚.月壤原位利用技术研究进展.工程科学学报，2021,43(11： 1433-1446.doi:10.13374f.issn2095-9389.2021.01.26.003 CHE Lang,WANG Bin,ZHAO Peng-fei.ZHU Hong-bin,CHENG Peng,LI Guang-shi,ZHANG Yong-he,LU Xiong-gang. Research progress in the in-situ utilization of lunar soil[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(11):1433-1446.doi: 10.13374.issn2095-9389.2021.01.26.003 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.01.26.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 Overview of microbial technology in the utilization of rare earth resources 工程科学学报.2020,42(1)：60 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.09.12.003 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报.2018.40(12：1468htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.004 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报.2020.42(11)：1400 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.16.004 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报.2020,42(12：1542htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.08.001 铬污染毒性土壤清洁修复研究进展与综合评价 Research progress on remediation technologies of chromium-contaminated soil:a review 工程科学学报.2018,40(11)：1275htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.001 汞污染土壤修复技术的研究进展 Review of research progress on the remediation technology of mercury contaminated soil 工程科学学报.2017,391)：1 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.01.001

月壤原位利用技术研究进展 车浪 王彬 赵鹏飞 朱洪斌 程鹏 李光石 张永合 鲁雄刚 Research progress in the in-situ utilization of lunar soil CHE Lang, WANG Bin, ZHAO Peng-fei, ZHU Hong-bin, CHENG Peng, LI Guang-shi, ZHANG Yong-he, LU Xiong-gang 引用本文: 车浪, 王彬, 赵鹏飞, 朱洪斌, 程鹏, 李光石, 张永合, 鲁雄刚. 月壤原位利用技术研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1433-1446. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003 CHE Lang, WANG Bin, ZHAO Peng-fei, ZHU Hong-bin, CHENG Peng, LI Guang-shi, ZHANG Yong-he, LU Xiong-gang. Research progress in the in-situ utilization of lunar soil[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1433-1446. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 Overview of microbial technology in the utilization of rare earth resources 工程科学学报. 2020, 42(1): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.12.003 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报. 2018, 40(12): 1468 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报. 2020, 42(11): 1400 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.004 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报. 2020, 42(12): 1542 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001 铬污染毒性土壤清洁修复研究进展与综合评价 Research progress on remediation technologies of chromium-contaminated soil: a review 工程科学学报. 2018, 40(11): 1275 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.001 汞污染土壤修复技术的研究进展 Review of research progress on the remediation technology of mercury contaminated soil 工程科学学报. 2017, 39(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.001

工程科学学报.第43卷，第11期：1433-1446.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1433-1446,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003;http://cje.ustb.edu.cn 月壤原位利用技术研究进展 车浪，王彬2,3)区，赵鹏飞，朱洪斌2，)，程鹏，李光石4区，张永合23)， 鲁雄刚14) 1)上海大学材料科学与工程学院，上海2004442)中国科学院微小卫星创新研究院，上海2012033)上海微小卫星工程中心，上海 2012034)上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海200444 ☒通信作者，E-mail:binwangustc@outlook.com,lgs@shu.edu.cn 摘要月球矿物资源的原位利用技术是月球基地建立和后续深空探索的基础.由于月球特殊环境及地月运输成本的限制， 现有矿治技术难以直接应用于月球矿物的原位开发，各国的科研人员围绕月球矿物资源原位利用方向开展了卓有成效的研 究工作，发展了几种极具应用潜力的技术.这些方法可分为材料化成型和提取治金两类，其中材料化成型工艺如烧结法、 3D增材制造法等，主要用于将月壤直接材料化成型以制备月球基地建材.提取冶金工艺包括碳/氢化学介质还原法、电解还 原法以及真空热解法等，可生产月壤矿物对应的金属单质或其低价氧化物，并获得氧气.本文概述了已有月壤原位利用技术 的一般原理、基本过程、热力学动力学基础及近期研究进展.探讨了这些方法的一些优缺点，并展望了其在月球矿物原位利 用上的应用前景 关键词月壤；月球资源利用：材料化成型；提取治金：激光 分类号TF111:P579:TB332 Research progress in the in-situ utilization of lunar soil CHE Lang,WANG Bin,ZHAO Peng-fei,ZHU Hong-bin,CHENG Peng,LI Guang-shi,ZHANG Yong-he LU Xiong-gang 1)School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China 2)Innovation Academy for Microsatellites of CAS,Shanghai 201203,China 3)Shanghai Engineering Center for Microsatellites,Shanghai 201203,China 4)State Key Laboratory of Advanced Special Steels,Shanghai University,Shanghai 200444,China Corresponding author,E-mail:binwangustc@outlook.com,Igs@shu.edu.cn ABSTRACT The in-situ utilization of lunar mineral resources is fundamental process for the establishment of a lunar base and subsequent exploration of deep space.However,the special environment of the moon and the cost of earth-moon transportation limit the direct application of existing mining and metallurgy technologies to achieve the in-situ utilization of lunar regolith.Since the 1980s, when NASA first proposed the "In-situ Resource Utilization"program (ISRU)and began to put it into practice,scientific researchers from all over the world have carried out fruitful research on the orientation of the in-situ utilization of lunar mineral resources and developed several technologies with great application potential.These methods can be divided into materialized molding and extractive metallurgy.Materialized molding processes,such as the sintering method and 3D additive manufacturing method,are mainly used to directly materialize the lunar soil to prepare building materials for the lunar base.Meanwhile,metallurgical extraction processes include carbon/hydrogenation medium reduction,electrolytic reduction,and vacuum pyrolysis,which can produce the corresponding metal or its 收稿日期：2021-01-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52004157，U1860203,11772202)

月壤原位利用技术研究进展 车    浪1)，王    彬2,3) 苣，赵鹏飞1)，朱洪斌2,3)，程    鹏1)，李光石1,4) 苣，张永合2,3)， 鲁雄刚1,4) 1) 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444    2) 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201203    3) 上海微小卫星工程中心，上海 201203    4) 上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444 苣通信作者， E-mail: binwangustc@outlook.com; lgs@shu.edu.cn 摘    要    月球矿物资源的原位利用技术是月球基地建立和后续深空探索的基础. 由于月球特殊环境及地月运输成本的限制， 现有矿冶技术难以直接应用于月球矿物的原位开发. 各国的科研人员围绕月球矿物资源原位利用方向开展了卓有成效的研 究工作，发展了几种极具应用潜力的技术. 这些方法可分为材料化成型和提取冶金两类，其中材料化成型工艺如烧结法、 3D 增材制造法等，主要用于将月壤直接材料化成型以制备月球基地建材. 提取冶金工艺包括碳/氢化学介质还原法、电解还 原法以及真空热解法等，可生产月壤矿物对应的金属单质或其低价氧化物，并获得氧气. 本文概述了已有月壤原位利用技术 的一般原理、基本过程、热力学动力学基础及近期研究进展. 探讨了这些方法的一些优缺点，并展望了其在月球矿物原位利 用上的应用前景. 关键词    月壤；月球资源利用；材料化成型；提取冶金；激光 分类号    TF111;P579;TB332 Research progress in the in-situ utilization of lunar soil CHE Lang1) ，WANG Bin2,3) 苣 ，ZHAO Peng-fei1) ，ZHU Hong-bin2,3) ，CHENG Peng1) ，LI Guang-shi1,4) 苣 ，ZHANG Yong-he2,3) ， LU Xiong-gang1,4) 1) School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 2) Innovation Academy for Microsatellites of CAS, Shanghai 201203, China 3) Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203, China 4) State Key Laboratory of Advanced Special Steels, Shanghai University, Shanghai 200444, China 苣 Corresponding author, E-mail: binwangustc@outlook.com; lgs@shu.edu.cn ABSTRACT    The in-situ utilization  of  lunar  mineral  resources  is  fundamental  process  for  the  establishment  of  a  lunar  base  and subsequent exploration of deep space. However, the special environment of the moon and the cost of earth–moon transportation limit the direct application of existing mining and metallurgy technologies to achieve the in-situ utilization of lunar regolith. Since the 1980s, when NASA first proposed the “In-situ Resource Utilization” program (ISRU) and began to put it into practice, scientific researchers from  all  over  the  world  have  carried  out  fruitful  research  on  the  orientation  of  the in-situ utilization  of  lunar  mineral  resources  and developed several technologies with great application potential. These methods can be divided into materialized molding and extractive metallurgy. Materialized molding processes, such as the sintering method and 3D additive manufacturing method, are mainly used to directly materialize the lunar soil to prepare building materials for the lunar base. Meanwhile, metallurgical extraction processes include carbon/hydrogenation medium reduction, electrolytic reduction, and vacuum pyrolysis, which can produce the corresponding metal or its 收稿日期: 2021−01−26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52004157，U1860203，11772202） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1433−1446，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1433−1446, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003; http://cje.ustb.edu.cn

1434 工程科学学报，第43卷，第11期 suboxides and oxygen.At present,the main raw materials used in related engineering applications and ISRU research are lunar soil simulants.This paper briefly summarized the special space environment of the moon and its influence.Moreover,the characteristics and applications of lunar soil simulants synthesized in different countries were compared.The main steps,technological characteristics, research status,and application prospects of lunar soil and lunar soil simulant's materialized molding process were then introduced.This work also summarized the general principles,basic processes,thermodynamics,and kinetics of the lunar soil's in-situ extraction metallurgical technology,as well as the latest research progress.Finally,the advantages and disadvantages of these methods were discussed,and their applications in thensit utilization of lunar minerals were proposed.In addition,the possible impact of the special lunar environment on the implementation of related technologies and products in the future was discussed and prospected. KEY WORDS lunar soil;utilization of lunar resources;materialized molding;extraction metallurgy;laser 月球探索及其资源利用受到世界主要航天科 段性的成就刀经过近年来的发展，月壤资源原位 研机构的关注.21世纪以来，各国陆续开展了多次 利用领域取得了一系列进展.然而，由于月球空间 探月登月活动，并对未来月球基地的开发进行了规 环境的独特性，一些已有的技术成熟度不高，尚缺 划，其中建设月球基地是重要组成部分.美国国家 乏对月球环境适应性的验证，部分工艺仍无法摆脱 宇航局(NASA)于2005年提出了“Centennial 需从地球运输相关反应介质的限制.针对以上问题， Challenges”项目，确立了包括建立3D打印空间站、 开发高度适应月球环境、设备简单、高效低成本的 研究太空机器人等研究方向的探月计划四.其后， 月壤原位利用技术具有非常重要的意义.本文综述 在2019年提出了“Artemis'”项目，计划在2028年建 了目前已有的材料化成型工艺和提取冶金工艺的 成月球基地俄罗斯航天局于2013年提出了其包 一般原理、基本过程、技术特点以及优缺点，并对 括月球基地建设的探月计划并开展了相关研究) 其未来的发展方向进行了探讨，最后对这些方法在 我国的月球探测工程于2004年立项，项目包括 月球矿物原位利用方面的应用前景进行了展望 “绕，落，回”三个阶段2007年嫦娥一号实现了绕 1月球空间环境 月飞行，2013年嫦娥四号实现月面软着陆，2020年 嫦娥五号实现从月面无人钻孔采样并返回，标志着 月球拥有独特的空间环境，包括高真空度、微 我国探月工程三个阶段的目标基本完成.月球基地 重力、强太阳辐射、大温差等.充分利用月球空间 建设离不开原材料，然而，由于从地球向月球运送 环境特点，是实现高效月球资源原位利用的重要 资源材料的成本极高，月壤资源原位利用技术受到 环节.月球的空间环境因素如表1所示，其中，真 国内外机构关注.20世纪80年代NASA首先提出 空环境和太阳辐射条件对于月球矿物的原位利用 并开始实施“原位资源利用(ISRU)”计划啊，欧洲航 有重要意义.高真空环境能提供理想的真空冶金 天局(ESA)及我国的中国科学院地球化学研究所 条件，而强太阳光照可作为能源资源加以利用，为 后续也在月面设施原位制造技术领域也取得了阶 资源利用提供源源不断的能量 表1月球空间环境及其有利应用 Table 1 Lunar space environment and its beneficial applications Environment Description Beneficial applications Vacuum Without an atmosphere,the vacuum is about 1.3x10 Pa. A vacuum and oxygen-free environment is beneficial to vacuum metallurgy and promote reduction reaction The use of solar energy as an energy source,including solar power Solar radiation One moon day is equal to 28 earth days, and the days and nights are long. generation,focused solar heating,solar pump generation of laser, and other ways. Reduce the cost of lunar surface transportation and reduce the Microgravity The moon's gravity:one-sixth of the earth's gravity. difficulty of construction.Some processes allow containerless operations. Temperature The moon's equatorial temperature ranges from-l78℃to113℃， difference and its polar temperature ranges from-223 C to 73 C. Electric generation by temperature difference. The composition of lunar soil was affected by the solar wind diffusion path for most of the time.It is possible to form OH or It can be used as an important source of reducing element H,and Solar wind He-3 controllable thermonuclear power generation even H2O in some oxygen-containing minerals of lunar soil. Some lunar soil is rich in He-3. can provide energy

suboxides  and  oxygen.  At  present,  the  main  raw  materials  used  in  related  engineering  applications  and  ISRU  research  are  lunar  soil simulants. This paper briefly summarized the special space environment of the moon and its influence. Moreover, the characteristics and applications  of  lunar  soil  simulants  synthesized  in  different  countries  were  compared.  The  main  steps,  technological  characteristics, research status, and application prospects of lunar soil and lunar soil simulant’s materialized molding process were then introduced. This work  also  summarized  the  general  principles,  basic  processes,  thermodynamics,  and  kinetics  of  the  lunar  soil ’s in-situ extraction metallurgical  technology,  as  well  as  the  latest  research  progress.  Finally,  the  advantages  and  disadvantages  of  these  methods  were discussed, and their applications in the in-situ utilization of lunar minerals were proposed. In addition, the possible impact of the special lunar environment on the implementation of related technologies and products in the future was discussed and prospected. KEY WORDS    lunar soil；utilization of lunar resources；materialized molding；extraction metallurgy；laser 月球探索及其资源利用受到世界主要航天科 研机构的关注. 21 世纪以来，各国陆续开展了多次 探月登月活动，并对未来月球基地的开发进行了规 划，其中建设月球基地是重要组成部分. 美国国家 宇 航 局 （ NASA） 于 2005 年 提 出 了 “ Centennial Challenges”项目，确立了包括建立 3D 打印空间站、 研究太空机器人等研究方向的探月计划[1] . 其后， 在 2019 年提出了“Artemis”项目，计划在 2028 年建 成月球基地[2] . 俄罗斯航天局于 2013 年提出了其包 括月球基地建设的探月计划并开展了相关研究[3] . 我国的月球探测工程于 2004 年立项 ，项目包括 “绕，落，回”三个阶段[4] . 2007 年嫦娥一号实现了绕 月飞行，2013 年嫦娥四号实现月面软着陆，2020 年 嫦娥五号实现从月面无人钻孔采样并返回, 标志着 我国探月工程三个阶段的目标基本完成. 月球基地 建设离不开原材料. 然而，由于从地球向月球运送 资源材料的成本极高，月壤资源原位利用技术受到 国内外机构关注. 20 世纪 80 年代 NASA 首先提出 并开始实施“原位资源利用 (ISRU)”计划[5] ，欧洲航 天局（ESA）及我国的中国科学院地球化学研究所 后续也在月面设施原位制造技术领域也取得了阶 段性的成就[6−7] . 经过近年来的发展，月壤资源原位 利用领域取得了一系列进展. 然而，由于月球空间 环境的独特性，一些已有的技术成熟度不高，尚缺 乏对月球环境适应性的验证，部分工艺仍无法摆脱 需从地球运输相关反应介质的限制. 针对以上问题， 开发高度适应月球环境、设备简单、高效低成本的 月壤原位利用技术具有非常重要的意义. 本文综述 了目前已有的材料化成型工艺和提取冶金工艺的 一般原理、基本过程、技术特点以及优缺点，并对 其未来的发展方向进行了探讨，最后对这些方法在 月球矿物原位利用方面的应用前景进行了展望. 1    月球空间环境 月球拥有独特的空间环境，包括高真空度、微 重力、强太阳辐射、大温差等. 充分利用月球空间 环境特点，是实现高效月球资源原位利用的重要 环节. 月球的空间环境因素如表 1 所示. 其中，真 空环境和太阳辐射条件对于月球矿物的原位利用 有重要意义. 高真空环境能提供理想的真空冶金 条件，而强太阳光照可作为能源资源加以利用，为 资源利用提供源源不断的能量. 表 1 月球空间环境及其有利应用[8−9] Table 1   Lunar space environment and its beneficial applications[8−9] Environment Description Beneficial applications Vacuum Without an atmosphere, the vacuum is about 1.3×10−7 Pa. A vacuum and oxygen-free environment is beneficial to vacuum metallurgy and promote reduction reaction. Solar radiation One moon day is equal to 28 earth days, and the days and nights are long. The use of solar energy as an energy source, including solar power generation, focused solar heating, solar pump generation of laser, and other ways. Microgravity The moon’s gravity: one-sixth of the earth’s gravity. Reduce the cost of lunar surface transportation and reduce the difficulty of construction. Some processes allow containerless operations. Temperature difference The moon’s equatorial temperature ranges from −178 ℃ to 113 ℃, and its polar temperature ranges from −223 ℃ to 73 ℃. Electric generation by temperature difference. Solar wind The composition of lunar soil was affected by the solar wind diffusion path for most of the time. It is possible to form OH− or even H2O in some oxygen-containing minerals of lunar soil. Some lunar soil is rich in He-3. It can be used as an important source of reducing element H, and He-3 controllable thermonuclear power generation can provide energy. · 1434 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

车浪等：月壤原位利用技术研究进展 1435 2月球的矿物资源及模拟月壤 14和16号航天飞船在月球表面采集到的真实月 壤样品，其样品编号分别为14163、64501和 月球蕴含丰富的矿物资源.根据阿波罗和嫦 10084;JSC-1(A)是NASA下属的约翰逊空间中心 娥探月系列的探月结果来看，月球表面可供大量 (JSC)主持研制的一种富含玻璃相的模拟月壤样 利用的矿物资源主要有月壤及月岩，月壤的成分 品：MLS-1是美国明尼苏达大学研制的一种高钛 与所在区域的月岩成分密切相关.月岩主要矿物 模拟月壤；NU-LHT-2M是NASA研制的一种月球 成分是辉石、长石、橄榄石、钛铁矿等.表2为月 高原风化层模拟样品；CAS-1是中国科学院地球 壤风化层矿物的部分理化分析数据.表中Apollo 化学研究所研制一种低钛模拟月壤样品；Chang'e 11、Apollo14和Apollo16分别是美国阿波罗11、 3是我国嫦娥3号着陆区域的表面风化层 表2月壤风化层的矿相组成、化学组成、粒径和体积质量心四 Table2 The minerals composition,chemistry composition,particle size and specific gravity of the lunar regolith Chemical component(mass Sample of lunar Mineralogical composition(mass fraction)/% Partical Specific fraction regolith size/μm Glass Feldspar Pyroxene Olivine Ilmenite Other gravity/(g.cm) SiO2 TiO, Apollo 11" 43 15.8 32.6 6.5 6 0.6 51 3.1 42.5 7.7 Apollo 145 59.1 17.2 10.2 3.5 0.5 9.1 65 2.9 48.1 1.7 Apollo 16 49.7 38.7 1 10.7 105 2.5 45.1 0.6 JSC-1(A) 49.3 38.8 2.8 100 2.9 45.7 1.9 MLS-1 47.5 29.6 3 8 12 95 3.2 42.8 6.8 NU-LHT-2M 30.7 54.9 6.4 95 0.2 0.6 90 3 46.7 0.4 CAS-1 14.6 63.52 7.74 8.13 2.33 3.18 85.94 2.74 49.24 1.87 Chang'e3 36.2 27.8 17.9 10.5 8.5 0 41.8 5 Sample of lunar Chemical component(mass fraction)/% regolith Feo Fe2O3 Al2O3 Mgo MnO Cao NazO K20 P2O5 Cr2O3 Apollo 11 15.8 13.8 8.2 0.2 12.1 0.4 02 0.1 0.3 Apollo 14% 10.4 17.4 9.5 0.1 10.8 0.7 0.6 0.5 0.2 Apollo 16 5.2 27.2 5.8 0.1 15.8 0.5 0.1 0.1 0.1 JSC-1(A) 12.4 16.2 9.7 0.2 10 3.2 0.8 0.7 MLS-1 16.3 12.1 6.2 0.2 11.1 22 0.2 NU-LHT-2M 4.2 24.4 7.9 0.1 13.6 1.3 0.1 0.2 CAS-1 11.35 18.52 7.32 0.19 7.25 3.69 1.38 1.28 0.11 Chang'e 3 21.7 9.8 8.1 0.3 12.3 0.3 0.11 0.1 0.3 Notes:*Sample ID 10084,particle size <1000 um;"Sample ID 14163.particle size 90-20 um;Sample ID 64501.particle size 90-1000 um. 由上表可知，月壤风化层所含的主要矿物有辉 度、形貌等特性，利用地球材料配制得到.受限于航 石、橄横榄石、斜长石、钛铁矿和尖晶石等.月壤中主 天任务中月壤采集位置、采集技术、采集量等多方面 要含有氧、硅、铁、钛和铝等重要元素.其中，氧元素 因素影响，不同航天任务中采集的月壤样品在组分等 可为月球活动提供氧气，而铁、钛、铝等金属元素可 方面可能存在较大差异.因而，对应不同任务中采集 作为月球基地的建设材料来源.月壤本身也可通过 的月壤制备的模拟矿物在组分上也可能有较大的差 相关材料化成型技术直接制备建设材料.实现月球 异)]目前模拟月壤大致可分为科学模拟月壤和工 矿物资源的原位利用是月球基地建立的基础.由于 程模拟月壤.其中，科学模拟月壤主要关注矿物成 月壤珍贵且稀有，目前相关工程应用和ISRU研究所 分、化学组成等，工程模拟月壤主要关心的是其物理 用原料以模拟月壤为主.模拟月壤通常根据航天任 力学特性.表3列出了世界主要航天国家研制的模 务中采集到的真实月壤的矿物成分、化学组成、粒 拟月壤的初始物质及其主要应用领域

2    月球的矿物资源及模拟月壤 月球蕴含丰富的矿物资源. 根据阿波罗和嫦 娥探月系列的探月结果来看，月球表面可供大量 利用的矿物资源主要有月壤及月岩. 月壤的成分 与所在区域的月岩成分密切相关. 月岩主要矿物 成分是辉石、长石、橄榄石、钛铁矿等. 表 2 为月 壤风化层矿物的部分理化分析数据. 表中 Apollo 11、Apollo 14 和 Apollo 16 分别是美国阿波罗 11、 14 和 16 号航天飞船在月球表面采集到的真实月 壤 样 品 ， 其 样 品 编 号 分 别 为 14163、 64501 和 10084；JSC-1(A) 是 NASA 下属的约翰逊空间中心 （JSC）主持研制的一种富含玻璃相的模拟月壤样 品；MLS-1 是美国明尼苏达大学研制的一种高钛 模拟月壤；NU-LHT-2M 是 NASA 研制的一种月球 高原风化层模拟样品；CAS-1 是中国科学院地球 化学研究所研制一种低钛模拟月壤样品；Chang’e 3 是我国嫦娥 3 号着陆区域的表面风化层. 表 2 月壤风化层的矿相组成、化学组成、粒径和体积质量[10−12] Table 2   The minerals composition, chemistry composition, particle size and specific gravity of the lunar regolith[10−12] Sample of lunar regolith Mineralogical composition (mass fraction)/% Partical size/μm Specific gravity/(g·cm−3) Chemical component (mass fraction)/% Glass Feldspar Pyroxene Olivine Ilmenite Other SiO2 TiO2 Apollo 11a 43 15.8 32.6 6.5 6 0.6 51 3.1 42.5 7.7 Apollo 14b 59.1 17.2 10.2 3.5 0.5 9.1 65 2.9 48.1 1.7 Apollo 16c 49.7 38.7 1 10.7 105 2.5 45.1 0.6 JSC-1(A) 49.3 38.8 9 2.8 100 2.9 45.7 1.9 MLS-1 47.5 29.6 3 8 12 95 3.2 42.8 6.8 NU-LHT-2M 30.7 54.9 6.4 9.5 0.2 0.6 90 3 46.7 0.4 CAS-1 14.6 63.52 7.74 8.13 2.33 3.18 85.94 2.74 49.24 1.87 Chang’e 3 36.2 27.8 17.9 10.5 8.5 0 41.8 5 Sample of lunar regolith Chemical component (mass fraction)/% FeO Fe2O3 Al2O3 MgO MnO CaO Na2O K2O P2O5 Cr2O3 Apollo 11a 15.8 13.8 8.2 0.2 12.1 0.4 0.2 0.1 0.3 Apollo 14b 10.4 17.4 9.5 0.1 10.8 0.7 0.6 0.5 0.2 Apollo 16c 5.2 27.2 5.8 0.1 15.8 0.5 0.1 0.1 0.1 JSC-1(A) 12.4 16.2 9.7 0.2 10 3.2 0.8 0.7 MLS-1 16.3 12.1 6.2 0.2 11.1 2.2 0.2 NU-LHT-2M 4.2 24.4 7.9 0.1 13.6 1.3 0.1 0.2 CAS-1 11.35 18.52 7.32 0.19 7.25 3.69 1.38 1.28 0.11 Chang’e 3 21.7 9.8 8.1 0.3 12.3 0.3 0.11 0.1 0.3 Notes: a Sample ID 10084, particle size <1000 μm; b Sample ID 14163，particle size 90–20 μm; c Sample ID 64501，particle size 90–1000 μm. 由上表可知，月壤风化层所含的主要矿物有辉 石、橄榄石、斜长石、钛铁矿和尖晶石等. 月壤中主 要含有氧、硅、铁、钛和铝等重要元素. 其中，氧元素 可为月球活动提供氧气，而铁、钛、铝等金属元素可 作为月球基地的建设材料来源. 月壤本身也可通过 相关材料化成型技术直接制备建设材料. 实现月球 矿物资源的原位利用是月球基地建立的基础. 由于 月壤珍贵且稀有，目前相关工程应用和 ISRU 研究所 用原料以模拟月壤为主. 模拟月壤通常根据航天任 务中采集到的真实月壤的矿物成分、化学组成、粒 度、形貌等特性，利用地球材料配制得到. 受限于航 天任务中月壤采集位置、采集技术、采集量等多方面 因素影响，不同航天任务中采集的月壤样品在组分等 方面可能存在较大差异. 因而，对应不同任务中采集 的月壤制备的模拟矿物在组分上也可能有较大的差 异[13] . 目前模拟月壤大致可分为科学模拟月壤和工 程模拟月壤[14] . 其中，科学模拟月壤主要关注矿物成 分、化学组成等，工程模拟月壤主要关心的是其物理 力学特性. 表 3 列出了世界主要航天国家研制的模 拟月壤的初始物质及其主要应用领域. 车    浪等： 月壤原位利用技术研究进展 · 1435 ·

.1436 工程科学学报.第43卷，第11期 表3各国模拟月壤的原料及主要用途对比山 Table3 Comparison of raw materials and main applications of the lunar soil simulan Country Lunar soil simulant Research institutions Raw material Applications JSC-1 NASA Johnson Space Center Basalt volcanic ash Scientific and engineering research MLS-1 University of Minnesota Titanium-rich crystalline basalt Scientific and engineering research America LSS U.S.Army Engineering Waterway Basalt Experimental Station Engineering research GRC NASA Green Research Center Quartz sand Engineering research MKS-1 Basalt lava Engineering research Japan Shimizu Co Space and Robotic FJS-1 Systems Department Basalt lava Engineering research SSC-1 Quartz sand Britain SSC-2 Surrey Space Centre Engineering research Garet Canada OB-1 University of New Brunswick Anorthosite and Glass Engineering research CAS-1 Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences Basalt volcanic ash Scientific and engineering research CLRS-1 Institute of Geochemistry,Chinese Volcanic ash Scientific and engineering research Academy of Sciences and National CLRS-2 Astronomical Observatories of China (NAOC) Volcanic ash and gabbro Scientific and engineering research T-1 Tongji University Volcanic ash Engineering research China CUG-1A China University of Geosciences Volcanic ash Engineering research LBD North China Vehicle Research Institute Volcanic ash and Hematite sand Engineering research TYII-O Volcanic ash TYII-I Jilin University and China Academy Volcanic ash Engineering research TYII-2 of Space Technology (CAST) Volcanic ash TYII-3 Volcanic ash 目前围绕着月球资源原位利用这一课题已开 似于火山灰，在一定碱激发条件下能够凝结固化 发了一系列方法.然而，月球特殊环境及地月物资 形成聚合物.ESA利用火山灰材料制备了模拟月 运输成本等问题限制了部分技术的有效应用，本 壤DNA-l,并利用碱激发成功固结了模拟月壤-1 文根据国内外月壤原位利用技术的发展情况，对 国内也报道了利用NaOH、水玻璃等激发并固结 这些技术的机理、实现方式、发展现状进行了综 模拟月壤的研究.Cai等7研究了Ca(OH)2和PI 述，对其面对的问题和未来发展进行了探讨和展望 52.5水泥作为月壤混凝土钙质原料的效果，发现 Ca(OH)2是更好的钙质原料来源.针对模拟月壤在 3月球原位冶金技术研究进展 空气和真空中的烧结成型情况，也有学者开展了 国内外开展的针对月壤风化层的资源原位利 相关研究.Meurisse等I研究了JSC-lA与DNA 用技术可分为材料化成型和提取冶金两类.材料 两种模拟月壤在真空和空气下的烧结物性能，真空 化成型是以熔融再硬化或压制等各种成型技术实 下烧结的圆柱形样品抗压强度最高可达l52MPa, 现对月壤的成型并制备材料.提取冶金聚焦于利 优于空气中烧结物的98MPa.Song等9在真空条 用化学机理提取月壤中的氧气、金属、低价金属 件下烧结CLRS-1模拟月壤制备了抗压强度428.1MPa、 氧化物，通过使用各类化学介质、特殊还原物质或 抗弯折强度为129.5MPa的样品. 高温手段实现对月壤中物质的提取和分离 由于太阳能或核聚变能都能较为方便的转化 3.1材料化成型 为微波能，微波加热手段也被用于月壤的烧结研 3.1.1直接硬化成型 究.Taylor和MeekP2o1利用Apollol7所采集的真实 月壤直接硬化成型主要包括常温路线的月壤 月壤进行了微波烧结实验，发现烧结产生的金属 直接混凝土成型、碱激发、冷压成型法等.高温路 铁和烧结物之间存在耦合关系，产生的金属铁颗 线包括燃烧合成、烧结等方法，其中以月壤碱激 粒能够有效的吸收微波热量并形成部分液相，可 发和烧结法的研究为主导.月壤在一些性质上类 显著增加烧结产物的成型度和强度.Fateri等研

表 3 各国模拟月壤的原料及主要用途对比[11,14] Table 3   Comparison of raw materials and main applications of the lunar soil simulant[11,14] Country Lunar soil simulant Research institutions Raw material Applications America JSC-1 NASA Johnson Space Center Basalt volcanic ash Scientific and engineering research MLS-1 University of Minnesota Titanium-rich crystalline basalt Scientific and engineering research LSS U.S. Army Engineering Waterway Experimental Station Basalt Engineering research GRC NASA Green Research Center Quartz sand Engineering research Japan MKS-1 Shimizu Co Space and Robotic Systems Department Basalt lava Engineering research FJS-1 Basalt lava Engineering research Britain SSC-1 Surrey Space Centre Quartz sand Engineering research SSC-2 Garnet Canada OB-1 University of New Brunswick Anorthosite and Glass Engineering research China CAS-1 Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences Basalt volcanic ash Scientific and engineering research CLRS-1 Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences and National Astronomical Observatories of China (NAOC) Volcanic ash Scientific and engineering research CLRS-2 Volcanic ash and gabbro Scientific and engineering research TJ-1 Tongji University Volcanic ash Engineering research CUG-1A China University of Geosciences Volcanic ash Engineering research LBD North China Vehicle Research Institute Volcanic ash and Hematite sand Engineering research TYII-0 Jilin University and China Academy of Space Technology (CAST) Volcanic ash Engineering research TYII-1 Volcanic ash TYII-2 Volcanic ash TYII-3 Volcanic ash 目前围绕着月球资源原位利用这一课题已开 发了一系列方法. 然而，月球特殊环境及地月物资 运输成本等问题限制了部分技术的有效应用，本 文根据国内外月壤原位利用技术的发展情况，对 这些技术的机理、实现方式、发展现状进行了综 述，对其面对的问题和未来发展进行了探讨和展望. 3    月球原位冶金技术研究进展 国内外开展的针对月壤风化层的资源原位利 用技术可分为材料化成型和提取冶金两类. 材料 化成型是以熔融再硬化或压制等各种成型技术实 现对月壤的成型并制备材料. 提取冶金聚焦于利 用化学机理提取月壤中的氧气、金属、低价金属 氧化物，通过使用各类化学介质、特殊还原物质或 高温手段实现对月壤中物质的提取和分离. 3.1    材料化成型 3.1.1    直接硬化成型 月壤直接硬化成型主要包括常温路线的月壤 直接混凝土成型、碱激发、冷压成型法等. 高温路 线包括燃烧合成、烧结等方法. 其中以月壤碱激 发和烧结法的研究为主导. 月壤在一些性质上类 似于火山灰，在一定碱激发条件下能够凝结固化 形成聚合物. ESA 利用火山灰材料制备了模拟月 壤 DNA-1，并利用碱激发成功固结了模拟月壤[15−16] . 国内也报道了利用 NaOH、水玻璃等激发并固结 模拟月壤的研究. Cai 等[17] 研究了 Ca(OH)2 和 PI 52.5 水泥作为月壤混凝土钙质原料的效果，发现 Ca(OH)2 是更好的钙质原料来源. 针对模拟月壤在 空气和真空中的烧结成型情况，也有学者开展了 相关研究. Meurisse 等[18] 研究了 JSC-1A 与 DNA 两种模拟月壤在真空和空气下的烧结物性能，真空 下烧结的圆柱形样品抗压强度最高可达 152 MPa， 优于空气中烧结物的 98 MPa. Song 等[19] 在真空条 件下烧结CLRS-1 模拟月壤制备了抗压强度428.1 MPa、 抗弯折强度为 129.5 MPa 的样品. 由于太阳能或核聚变能都能较为方便的转化 为微波能，微波加热手段也被用于月壤的烧结研 究. Taylor 和 Meek[20] 利用 Apollo17 所采集的真实 月壤进行了微波烧结实验，发现烧结产生的金属 铁和烧结物之间存在耦合关系，产生的金属铁颗 粒能够有效的吸收微波热量并形成部分液相，可 显著增加烧结产物的成型度和强度. Fateri 等[21] 研 · 1436 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期