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
车浪等：月壤原位利用技术研究进展 1437 究了模拟月壤JSC-2A微波烧结样品的孔隙率、微 础上，利用逐层制造方式实现对物品三维加工制 结构、品相演化、机械性能等，进一步验证了微波 造的一种新型加工制造技术.3D打印能够直接、 烧结成型的可行性 快速地建造出形状复杂的实体，在工业制造和建 目前月壤直接硬化成型方向已取得一系列进 筑业极具前景.近年来国内外研究人员在利用月 展并发展出一些方法，但这些方法对月球特殊环 壤作为原料的增材制造领域开展了一系列的研究 境的适用性仍有待验证.直接硬化成型法易于大 工作，这些研究工作主要以模拟月壤为研究对象 批量制造，生产效率高，所产出的成品较为单一 针对模拟月壤的3D增材制造技术发展较快，主要 且部分成型技术对地球资源有较多依赖，未来需 包括轮廓工艺、D-shape3D打印、激光3D打印成 要在设备和工艺适应性方面开展进一步研究 型和模拟月壤“油墨”3D打印、光固化3D打印、 3.1.23D增材制造 太阳光聚焦3D打印等.表4对这些月壤3D增材 增材制造即3D打印，是在三维数字模型的基 制造技术进展情况和特点进行了归纳 表4模拟月壤3D打印技术的特性及其弊端对比 Table 4 Characteristics and disadvantages of 3D printing technology of lunar soil simulant 3D printing Main experimental steps Additive Disadvantages References technology The nozzle is used to extrude the sulfur Sulfur needs to be transported from the earth. Contour crafting concrete quickly,manufacturing the structure Sulfur and the extrusion process is limited by [22] optionally. microgravity During the 3D printing process,liquids with The transport and storage of inorganic D-shape high surface tension and low viscosity are Inorganic solution solutions are limited,and the ejection process [23] used to bind the material together. of the liquid is restricted by microgravity. Lasers are used to sinter the powder or The interlayer bonding effect of sintering is Laser 3D printing poor,and the influence of the ultra-high compaction layer by layer,manufacturing the None vacuum heat transfer mechanism on sintering [24] structure quickly. needs further study. "Lunar retThe lunar soi powder is directly cofigured Organic solvents need to be transported from into"printing ink",which is then extruded Organic solution the earth,and ink extrusion is limited by printing [25] and molded. microgravity. The photocurable resins needs to be Ultraviolet light is used to selectively expose Photocuring printing the material to solidify the printed material in Curable resin transported from the earth,and the printed solid material is brittle with poor impact [26-27 a specific shape. resistance. The sunlight focusing effect is poor,and the Solar 3D printing The powder or compaction is molded layer- [28] by-layer using focused sunlight. None penetration is weak.The sintered sample is thin with low controllability Khoshenvis等☑在2005年以硫磺混凝土为原 制备出了10mm×10mm×3mm的方块试样及齿轮和 料开展了模拟月壤轮廓工艺3D打印研究，得到了 螺母试样.通过维氏硬度测试，其硬度值为1245HV, 挤出性能最优的硫磺混凝土，实现了结构成型 高于同一烧结条件下二氧化硅的硬度值(865HV) 2014年，Cesaretti等21以模拟月壤为原料，采用D- Gerdes等B研究了金属基底和陶瓷基底在不同激 shape工艺制备了具有良好抗拉强度和韧性强度 光功率、不同打印速度下的成型质量，研究发现， 的“蜂窝状”结构件.此外，Ceccanti等29以DNA 对于月壤原材料的3D打印，在陶瓷基底上具有更 模拟月壤为原料，使用无机溶液固结成功打印出 好的3D打印效果.Taylor等2在2018年开发了 “放射虫”结构件 一种由JSC-1A模拟月壤以及聚乳酸-羟基乙酸有 由于月球上硫磺和无机溶剂等物质运输成本 机物混合而成的3D打印“油墨”，后将油墨直接 较高且使用难度较大，故利用模拟月壤粉末进行 挤出成功打印出了微桁架结构件.在月壤光固化 激光3D打印成型的方法被提出.Bala等24在 增材制造方面，王功等2在微重力环境下成功的 2012年使用连续波Nd-YAG激光在3mm厚的铝 进行了陶瓷浆料的光处理实验，证明了光固化技 合金基板上进行了模拟月壤的直接3D打印实验， 术在微重力下的可行性.Liu等7在2019年使用 制备出了直径8~10mm,高25~30mm,相对理论 3D光刻打印的方式，利用模拟月壤所制备样品的 密度92%~95%的样品，证明了激光3D打印的可 平均抗压强度达到了428.1MPa、平均抗弯曲强度 行性.Fateri和Gebhardt!301利用激光选区熔化技术 达到了129.5MPa,该数值为目前国内外研究的同
究了模拟月壤 JSC-2A 微波烧结样品的孔隙率、微 结构、晶相演化、机械性能等，进一步验证了微波 烧结成型的可行性. 目前月壤直接硬化成型方向已取得一系列进 展并发展出一些方法，但这些方法对月球特殊环 境的适用性仍有待验证. 直接硬化成型法易于大 批量制造，生产效率高，所产出的成品较为单一. 且部分成型技术对地球资源有较多依赖，未来需 要在设备和工艺适应性方面开展进一步研究. 3.1.2 3D 增材制造 增材制造即 3D 打印，是在三维数字模型的基 础上，利用逐层制造方式实现对物品三维加工制 造的一种新型加工制造技术. 3D 打印能够直接、 快速地建造出形状复杂的实体，在工业制造和建 筑业极具前景. 近年来国内外研究人员在利用月 壤作为原料的增材制造领域开展了一系列的研究 工作，这些研究工作主要以模拟月壤为研究对象. 针对模拟月壤的 3D 增材制造技术发展较快，主要 包括轮廓工艺、D-shape 3D 打印、激光 3D 打印成 型和模拟月壤“油墨”3D 打印、光固化 3D 打印、 太阳光聚焦 3D 打印等. 表 4 对这些月壤 3D 增材 制造技术进展情况和特点进行了归纳. 表 4 模拟月壤 3D 打印技术的特性及其弊端对比 Table 4 Characteristics and disadvantages of 3D printing technology of lunar soil simulant 3D printing technology Main experimental steps Additive Disadvantages References Contour crafting The nozzle is used to extrude the sulfur concrete quickly, manufacturing the structure optionally. Sulfur Sulfur needs to be transported from the earth, and the extrusion process is limited by microgravity. [22] D-shape During the 3D printing process, liquids with high surface tension and low viscosity are used to bind the material together. Inorganic solution The transport and storage of inorganic solutions are limited, and the ejection process of the liquid is restricted by microgravity. [23] Laser 3D printing Lasers are used to sinter the powder or compaction layer by layer, manufacturing the structure quickly. None The interlayer bonding effect of sintering is poor, and the influence of the ultra-high vacuum heat transfer mechanism on sintering needs further study. [24] “Lunar regolith inks” printing The lunar soil powder is directly configured into “printing ink”, which is then extruded and molded. Organic solution Organic solvents need to be transported from the earth, and ink extrusion is limited by microgravity. [25] Photocuring printing Ultraviolet light is used to selectively expose the material to solidify the printed material in a specific shape. Curable resin The photocurable resins needs to be transported from the earth, and the printed solid material is brittle with poor impact resistance. [26−27] Solar 3D printing The powder or compaction is molded layerby-layer using focused sunlight. None The sunlight focusing effect is poor, and the penetration is weak. The sintered sample is thin with low controllability. [28] Khoshenvis 等[22] 在 2005 年以硫磺混凝土为原 料开展了模拟月壤轮廓工艺 3D 打印研究，得到了 挤出性能最优的硫磺混凝土，实现了结构成型. 2014 年，Cesaretti 等[23] 以模拟月壤为原料，采用 Dshape 工艺制备了具有良好抗拉强度和韧性强度 的“蜂窝状”结构件. 此外，Ceccanti 等[29] 以 DNA 模拟月壤为原料，使用无机溶液固结成功打印出 “放射虫”结构件. 由于月球上硫磺和无机溶剂等物质运输成本 较高且使用难度较大，故利用模拟月壤粉末进行 激光 3D 打印成型的方法被提出. Balla 等[24] 在 2012 年使用连续波 Nd-YAG 激光在 3 mm 厚的铝 合金基板上进行了模拟月壤的直接 3D 打印实验， 制备出了直径 8～10 mm，高 25～30 mm，相对理论 密度 92%～95% 的样品，证明了激光 3D 打印的可 行性. Fateri 和 Gebhardt[30] 利用激光选区熔化技术 制备出了 10 mm×10 mm×3 mm 的方块试样及齿轮和 螺母试样. 通过维氏硬度测试，其硬度值为 1245 HV， 高于同一烧结条件下二氧化硅的硬度值（865 HV）. Gerdes 等[31] 研究了金属基底和陶瓷基底在不同激 光功率、不同打印速度下的成型质量，研究发现， 对于月壤原材料的 3D 打印，在陶瓷基底上具有更 好的 3D 打印效果. Taylor 等[25] 在 2018 年开发了 一种由 JSC-1A 模拟月壤以及聚乳酸-羟基乙酸有 机物混合而成的 3D 打印 “油墨”，后将油墨直接 挤出成功打印出了微桁架结构件. 在月壤光固化 增材制造方面，王功等[26] 在微重力环境下成功的 进行了陶瓷浆料的光处理实验，证明了光固化技 术在微重力下的可行性. Liu 等[27] 在 2019 年使用 3D 光刻打印的方式，利用模拟月壤所制备样品的 平均抗压强度达到了 428.1 MPa、平均抗弯曲强度 达到了 129.5 MPa，该数值为目前国内外研究的同 车 浪等： 月壤原位利用技术研究进展 · 1437 ·
1438 工程科学学报，第43卷，第11期 类产品中最高值.直接利用太阳光聚焦实现月壤 熔融温度为780℃、最高析晶温度为1031℃、完 3D打印增材制造技术也极具发展前景.2017年 全熔化温度为1332℃.故若要用月壤玄武岩制备 ESA通过太阳光聚光设备，在1000℃条件下通过 玄武岩纤维，样品的加热温度应高于1332℃、纤 逐层覆土的方式制备了模拟月壤砖，证实了太阳 维成型温度应比析晶温度高80℃左右B中国科 能聚光打印的可行性2增材制造技术和太阳能 学院新疆理化技术研究所研究了利用月壤材料制 直接聚焦技术的结合可能发展为未来月球基地建 备连续纤维的可行性，并利用模拟月壤制备出单 设的重要技术支撑，未来将成为月球资源原位利 丝拉伸强度超过1400MPa的月壤基连续纤维，其 用技术的重要组成部分 强度接近目前商业化的玄武岩纤维材料上述 3D增材制造技术可用于各类复杂形状零部件 研究结果证实，以月壤为原料可获得连续、直径可 的制造，也可制备各类月壤砖.但3D增材制造技 控的纤维材料.得到的纤维有望通过复合材料制 术所得烧结制品存在整体度差、强度较低、生产 造技术进一步制成纤维增强复合材料以满足基地 率低等缺点.目前对于成型后制品缺陷的形成原 建设中一些高强度功能材料的需求，展示了重要 理还缺乏相应的研究.当前已发展的3D打印技术 的研发和应用价值.从当前研究发展情况看，后续 通常需要较为复杂的机械系统、光电系统和能量 对于在月球特殊环境纤维制备过程中的能耗、成 转化系统等.开发更加简洁的设备和高效的技术 纤设备的设计与系统集成，以及月壤纤维与基体 方案是当前月壤3D打印技术的重点发展方向 间相互作用等方面的研究将可能成为该领域的研 3.1.3直接熔化月壤制备玻璃纤维 究重点 直接烧结月壤成型和3D月壤增材制造的研 究虽然取得了一定的进步，但由于实际的月壤成 Wire-drawing bushing 分复杂，在烧结、熔融过程中可能发生一系列物 Regolith 理、化学变化，这给控制烧结条件带来了困难，从 Heating Coating 而导致产物强度难以提升.已有的研究显示，烧结 Glass device 模拟月壤制备出的建材目前只能达到高强度混凝 Fast-cooling Concentrator 土建材力学性能的一半左右.此外，月球昼夜温差 device 极大、太阳风、宇宙辐射强烈等恶劣环境因素对 Batch-type furnace Drawbench 基地建材提出多方面要求，单一的月壤烧结制品 难以满足 Drawing furnace device 复合材料是由基体和增强相组成的二元或多 图1月壤玄武岩纤维制备示意图 元体系，其组成材料在性能方面具有相互增强和 Fig.I Schematic diagram of the preparation of the soil basalt fiber 协同效应，具有轻质、高强度、易于模块化制作等 3.1.4小结 优点.纤维材料是纤维复合材料的关键组成部分， 月壤材料化成型方面，目前在各类成型工艺 在复合材料中起着增加强度和改善性能的作用. 上均取得了一定程度的突破和进展.当前急需解 玄武岩纤维是一种以玄武岩矿石为原料生产的高 决的重点问题是成型工艺以及材料对于月球特殊 性能纤维材料，具有力学性能好、使用温度范围 空间环境的适应性和实用性.表5对以上三种技 广、耐酸碱腐蚀、绝热隔音等优异性能.目前在地 术的主要工艺过程、技术特点等进行了归纳总结. 球上，玄武岩纤维已经在桥梁工程建筑等领域得 3.2提取冶金 到了广泛的应用，月球表面分布有大量的玄武岩 3.2.1化学介质还原法 质月壤，若能将其利用起来制备出玄武岩纤维，就 化学介质还原法利用还原媒介在一定条件下 能满足月球基地建设中在一些结构和功能方面的 对月壤中的氧化物成分进行还原.研究中使用的 性能需求.已提出的月壤基连续纤维制备方案的 还原介质主要包括氢气、甲烷等碳基燃料以及卤 过程示意图如图1所示四，其基本过程分为两步， 素气体等，并根据还原介质的不同研发了对应的 首先将模拟月壤熔融并快速冷却以获得不含结晶 方法和设备 相的玻璃体，其后粉碎玻璃体并在连续纤维拉丝 前期探月发现，月球两极的一些区域分布着 熔炉中拉丝成型.童庆等研究了模拟月壤差示 水资源B.水通过电解可以得到的氢气.Carr响在 扫描量热分析(DSC)曲线，发现模拟月壤的初始 1963年提出了氢气还原循环利用工艺，其具体
类产品中最高值. 直接利用太阳光聚焦实现月壤 3D 打印增材制造技术也极具发展前景. 2017 年 ESA 通过太阳光聚光设备，在 1000 ℃ 条件下通过 逐层覆土的方式制备了模拟月壤砖，证实了太阳 能聚光打印的可行性[28] . 增材制造技术和太阳能 直接聚焦技术的结合可能发展为未来月球基地建 设的重要技术支撑，未来将成为月球资源原位利 用技术的重要组成部分. 3D 增材制造技术可用于各类复杂形状零部件 的制造，也可制备各类月壤砖. 但 3D 增材制造技 术所得烧结制品存在整体度差、强度较低、生产 率低等缺点. 目前对于成型后制品缺陷的形成原 理还缺乏相应的研究. 当前已发展的 3D 打印技术 通常需要较为复杂的机械系统、光电系统和能量 转化系统等. 开发更加简洁的设备和高效的技术 方案是当前月壤 3D 打印技术的重点发展方向. 3.1.3 直接熔化月壤制备玻璃纤维 直接烧结月壤成型和 3D 月壤增材制造的研 究虽然取得了一定的进步，但由于实际的月壤成 分复杂，在烧结、熔融过程中可能发生一系列物 理、化学变化，这给控制烧结条件带来了困难，从 而导致产物强度难以提升. 已有的研究显示，烧结 模拟月壤制备出的建材目前只能达到高强度混凝 土建材力学性能的一半左右. 此外，月球昼夜温差 极大、太阳风、宇宙辐射强烈等恶劣环境因素对 基地建材提出多方面要求，单一的月壤烧结制品 难以满足. 复合材料是由基体和增强相组成的二元或多 元体系，其组成材料在性能方面具有相互增强和 协同效应，具有轻质、高强度、易于模块化制作等 优点. 纤维材料是纤维复合材料的关键组成部分， 在复合材料中起着增加强度和改善性能的作用. 玄武岩纤维是一种以玄武岩矿石为原料生产的高 性能纤维材料，具有力学性能好、使用温度范围 广、耐酸碱腐蚀、绝热隔音等优异性能. 目前在地 球上，玄武岩纤维已经在桥梁工程建筑等领域得 到了广泛的应用. 月球表面分布有大量的玄武岩 质月壤，若能将其利用起来制备出玄武岩纤维，就 能满足月球基地建设中在一些结构和功能方面的 性能需求. 已提出的月壤基连续纤维制备方案的 过程示意图如图 1 所示[32] ，其基本过程分为两步， 首先将模拟月壤熔融并快速冷却以获得不含结晶 相的玻璃体，其后粉碎玻璃体并在连续纤维拉丝 熔炉中拉丝成型. 童庆等[33] 研究了模拟月壤差示 扫描量热分析 (DSC) 曲线，发现模拟月壤的初始 熔融温度为 780 ℃、最高析晶温度为 1031 ℃、完 全熔化温度为 1332 ℃. 故若要用月壤玄武岩制备 玄武岩纤维，样品的加热温度应高于 1332 ℃、纤 维成型温度应比析晶温度高 80 ℃ 左右[34] . 中国科 学院新疆理化技术研究所研究了利用月壤材料制 备连续纤维的可行性，并利用模拟月壤制备出单 丝拉伸强度超过 1400 MPa 的月壤基连续纤维，其 强度接近目前商业化的玄武岩纤维材料[32] . 上述 研究结果证实，以月壤为原料可获得连续、直径可 控的纤维材料. 得到的纤维有望通过复合材料制 造技术进一步制成纤维增强复合材料以满足基地 建设中一些高强度功能材料的需求，展示了重要 的研发和应用价值. 从当前研究发展情况看，后续 对于在月球特殊环境纤维制备过程中的能耗、成 纤设备的设计与系统集成，以及月壤纤维与基体 间相互作用等方面的研究将可能成为该领域的研 究重点. Regolith Heating Batch-type furnace Fast-cooling device Glass Wire-drawing bushing Coating device Concentrator Drawbench Drawing furnace device 图 1 月壤玄武岩纤维制备示意图[32] Fig.1 Schematic diagram of the preparation of the soil basalt fiber[32] 3.1.4 小结 月壤材料化成型方面，目前在各类成型工艺 上均取得了一定程度的突破和进展. 当前急需解 决的重点问题是成型工艺以及材料对于月球特殊 空间环境的适应性和实用性. 表 5 对以上三种技 术的主要工艺过程、技术特点等进行了归纳总结. 3.2 提取冶金 3.2.1 化学介质还原法 化学介质还原法利用还原媒介在一定条件下 对月壤中的氧化物成分进行还原. 研究中使用的 还原介质主要包括氢气、甲烷等碳基燃料以及卤 素气体等，并根据还原介质的不同研发了对应的 方法和设备. 前期探月发现，月球两极的一些区域分布着 水资源[35] . 水通过电解可以得到的氢气. Carr[36] 在 1963 年提出了氢气还原循环利用工艺，其具体 · 1438 · 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 1439· 表5。月壤材料化成型技术对比 Table 5 Summary of the molding technology of the lunar regolith Molding technology Main experimentalsteps The characteristics of the technique References The solidified polymer was obtained by alkaline excitation,cold Easy to mass manufacture,high production efficiency, Direct sintering pressing,and sintering of the lunar soil simulant or lunar soil. the condensed material needs to be transported from the [15-21] earth,singular products. 3D additive Selectively molded lunar soil or lunar soil simulant by laser, Can mold arbitrarily and rapidly,low production manufacturing focused sunlight,or other technical means efficiency,low product strength,some technologies 22-31] require additives. Direct melting The lunar soil simulant was melted and rapidly cooled to obtain the The composite materials of lunar soil can be prepared; to prepared vitreous,which is then crushed and wire-drawn in a continuous further study is needed on the formation of fiber in the [32-34 glass fiber fiber wire-drawing furnace. special lunar environment. 流程如图2所示，氢气还原过程中，当温度在 用.研究发现，反应温度低于1100℃时，只有氧化 100~2000℃范围时，使用该方法只能还原月壤风 铁显著的被还原.此外，少部分熔融的SO2和TiO2 化层中的铁氧化物，得到金属铁7.氢气还原钛铁 也能脱掉部分氧，形成了TiC、FeSi和FeSi等物 矿的反应为气固反应.在反应过程中需保持高的 质提高碳热还原温度，使得月壤风化层变为熔 氢气分压，同时不断将反应产生的水蒸气移出反 融态，可进一步还原硅氧化物.受容器耐热程度和 应系统，以保证反应持续高效进行.近期NASA在 加热方式的限制，若要进一步提升还原温度，以较 该领域的研究主要以改善氢气和月壤的气固接触 高的加热速率加热一定的样品区域，使该部分区 率、提升产物转化率及开发适合月球环境的原位 域达到较高温度并发生熔融相变，可能是较为理 利用技术和设备为主.Denk等B测开发并测试了一 想的加热方式.反应过程中，由于已经升温熔融的 种可连续工作面包板式反应装置，该装置以太阳 区域被未熔融的样品所包围，不接触承载样品的 能聚焦加热方式利用氢还原处理钛铁矿，最终将 装置，可以有效的避免高温熔融区与容器的接触， 56%的氢转化为水.ESA在2017年设计了一套利 减少对其的腐蚀.局部熔融碳基燃料还原反应中， 用氢气还原月壤的原位利用装置，并用纯钛铁矿 碳基燃料注入位置靠近熔融点，过程如图3所示 进行了测试，最终得到了34%的还原率B90 Gustafson等2]使用激光和聚光太阳光两种聚焦加 9 热方式研究了含铁、硅氧化物风化层的甲烷部分熔 H,O&H, 融还原，其脱氧率最高为28%.Loutzenhiser等 Dust Cyclone 利用高通量太阳能模拟器开展了聚焦太阳能还原 Cold 二氧化硅实验研究，在加热温度为1724~1990℃、 trap 环境大气压为300Pa条件下使用木炭还原高纯度 Fluidized 二氧化硅，反应物部分还原产生了金属硅.在熔融 bed HO (800-1000℃ Dust 分解时，只有部分碳基还原剂和H2能和风化层充 HNRINIAA AARIACAN 分接触并反应，而未参与反应的还原剂需进行回 H,O 收再利用，但仍然有一些难以避免的损耗碳基 燃料在还原反应过程中还存在析碳、渗碳等情况， Electrolysis 过程也会造成一部分还原剂碳的损耗，损耗部分 需要从地球补给 除以上两种还原剂外，部分研究报导了使用 图2氢气还原过程示意图 Fig.2 Schematic diagram of the hydrogen reduction process 气体氟还原月壤样品制取氧气的工作.由于气体 F2氧化性强于O2,氟可以取代氧化物中氧的位置， 除了利用氢气作为还原介质外，传统的碳基 置换出氧气.氟化反应的反应式如式(1)所示： 还原剂也被用于月壤氧化物的还原.碳基还原是 (1) 将碳基还原剂通入装有月壤风化层和碳组成的混 Me+yFxMeF:+ 合物的流化床中.在800~1000℃温度条件下反 式中，“Me”代表金属元素，式中反应的主要产物 应产生金属、水蒸气和氢气等.产物中的水可以 是金属氟化物和氧气，其中部分氟化物以气态形 通过电解制取氧气，而碳基燃料可以回收再利 式存在5氟化还原法的月壤利用中，实现F2的
流程如 图 2 所 示 . 氢气还原过程中 ，当温度 在 100～2000 ℃ 范围时，使用该方法只能还原月壤风 化层中的铁氧化物，得到金属铁[37] . 氢气还原钛铁 矿的反应为气固反应. 在反应过程中需保持高的 氢气分压，同时不断将反应产生的水蒸气移出反 应系统，以保证反应持续高效进行. 近期 NASA 在 该领域的研究主要以改善氢气和月壤的气固接触 率、提升产物转化率及开发适合月球环境的原位 利用技术和设备为主. Denk 等[38] 开发并测试了一 种可连续工作面包板式反应装置，该装置以太阳 能聚焦加热方式利用氢还原处理钛铁矿，最终将 56% 的氢转化为水. ESA 在 2017 年设计了一套利 用氢气还原月壤的原位利用装置，并用纯钛铁矿 进行了测试，最终得到了 34% 的还原率[39−40] . H2O&H2 H2O H2O Dust Fluidized bed (800−1000 ℃) H2 H2 H2 O2 Dust Cyclone Electrolysis Cold trap 图 2 氢气还原过程示意图[36] Fig.2 Schematic diagram of the hydrogen reduction process[36] 除了利用氢气作为还原介质外，传统的碳基 还原剂也被用于月壤氧化物的还原. 碳基还原是 将碳基还原剂通入装有月壤风化层和碳组成的混 合物的流化床中. 在 800～1000 ℃ 温度条件下反 应产生金属、水蒸气和氢气等. 产物中的水可以 通过电解制取氧气，而碳基燃料可以回收再利 用. 研究发现，反应温度低于 1100 ℃ 时，只有氧化 铁显著的被还原. 此外，少部分熔融的 SiO2 和 TiO2 也能脱掉部分氧，形成了 TiC、FeSi 和 Fe3Si 等物 质[41] . 提高碳热还原温度，使得月壤风化层变为熔 融态，可进一步还原硅氧化物. 受容器耐热程度和 加热方式的限制，若要进一步提升还原温度，以较 高的加热速率加热一定的样品区域，使该部分区 域达到较高温度并发生熔融相变，可能是较为理 想的加热方式. 反应过程中，由于已经升温熔融的 区域被未熔融的样品所包围，不接触承载样品的 装置，可以有效的避免高温熔融区与容器的接触， 减少对其的腐蚀. 局部熔融碳基燃料还原反应中， 碳基燃料注入位置靠近熔融点，过程如图 3 所示. Gustafson 等[42] 使用激光和聚光太阳光两种聚焦加 热方式研究了含铁、硅氧化物风化层的甲烷部分熔 融还原，其脱氧率最高为 28%. Loutzenhiser 等[43] 利用高通量太阳能模拟器开展了聚焦太阳能还原 二氧化硅实验研究，在加热温度为 1724～1990 ℃、 环境大气压为 300 Pa 条件下使用木炭还原高纯度 二氧化硅，反应物部分还原产生了金属硅. 在熔融 分解时，只有部分碳基还原剂和 H2 能和风化层充 分接触并反应，而未参与反应的还原剂需进行回 收再利用，但仍然有一些难以避免的损耗[44] . 碳基 燃料在还原反应过程中还存在析碳、渗碳等情况， 过程也会造成一部分还原剂碳的损耗，损耗部分 需要从地球补给. 除以上两种还原剂外，部分研究报导了使用 气体氟还原月壤样品制取氧气的工作. 由于气体 F2 氧化性强于 O2，氟可以取代氧化物中氧的位置， 置换出氧气. 氟化反应的反应式如式（1）所示： MexyOy +yF2 ↔ xyMeF2 + y 2 O2 （1） 式中，“Me”代表金属元素，式中反应的主要产物 是金属氟化物和氧气，其中部分氟化物以气态形 式存在[45−46] . 氟化还原法的月壤利用中，实现 F2 的 表 5 月壤材料化成型技术对比 Table 5 Summary of the molding technology of the lunar regolith Molding technology Main experimentalsteps The characteristics of the technique References Direct sintering The solidified polymer was obtained by alkaline excitation, cold pressing, and sintering of the lunar soil simulant or lunar soil. Easy to mass manufacture, high production efficiency, the condensed material needs to be transported from the earth, singular products. [15−21] 3D additive manufacturing Selectively molded lunar soil or lunar soil simulant by laser, focused sunlight, or other technical means. Can mold arbitrarily and rapidly, low production efficiency, low product strength, some technologies require additives. [22‒31] Direct melting to prepared glass fiber The lunar soil simulant was melted and rapidly cooled to obtain the vitreous, which is then crushed and wire-drawn in a continuous fiber wire-drawing furnace. The composite materials of lunar soil can be prepared; further study is needed on the formation of fiber in the special lunar environment. [32‒34] 车 浪等： 月壤原位利用技术研究进展 · 1439 ·
.1440 工程科学学报，第43卷，第11期 产生正负离子的迁移，在阳极上发生氧化反应析出 气体，在阴极上发生还原反应析出金属.根据电解 CO,H2 质的差别可分为直接熔融电解法和熔盐电解法. H,0 熔融电解法是直接以熔融月壤为电解质来进 行电解的方法.如图5所示，在1600℃左右的高 CH 温条件下，电解槽内熔融状态月壤熔体通电后，金 H,0 属阳离子在阴极放电析出金属或合金，含氧阴离 Regolith H Electrolysis 子在阳极放电析出氧气，实现目标金属材料和氧 气的制备 Filter Sabatier reactor Dust 图3部分熔融还原示意图网 Fig.3 Schematic diagram of partial melting reduction 02 01 循环过程较复杂.因为氟具有较强的腐蚀性，因而 在每个反应步骤中都需要用到专用的反应器的 Molten regolith Landis提出完整的F循环的工艺7经氟化反应 Metal 器后，气态组分蒸馏分离出O2、F2、SF4和TF4, Cathode Anode S证4在等离子体室中转化为金属硅和氟气体.氧 气被储存起来供使用，而氟气体则在这个过程中 Metal alloy 被循环利用.整个过程如图4所示 图5熔融电解法示意图叫 Plasma chamber SiF, Fig.5 Schematic diagram of the moltenelectrolysis process O2,F2,SiF4,TiF Si 金属氧化物的熔融电解还原取决于温度和电 Condens 势，常见的金属氧化物都可以通过熔融电解法还 原)熔融电解过程需保持较高温度，由于反应温 T Solid TiF fluorides 度较高，熔融风化层具有一定化学侵蚀性，对电极 0 KF 材料提出了较高要求.电极必须是耐腐蚀材料且 Regolith .Metals 能承受1600~2000℃的高温，研究中使用较多的 CaF2MgF: KF 电极材料有铱、钼、铂等贵金属或导电陶瓷等o K K-reduction 由于原料和电解条件的限制，目前仍然缺乏对于 furnace Molten KF electrolysis 直接熔融电解月壤的相关研究 F 熔盐电解法是将月壤风化层作为阴极材料并 图4氟化法示意图47 熔于熔盐介质来进行电解的方法.电解过程中，阴 Fig.4 Schematic diagram of the fluorination process 极的金属阳离子被还原为金属，氧离子迁移至惰 整个氟化和氟再生反应需要六到八个反应 性阳极以氧气形式析出.目前熔盐电解法主要由 器，各步骤的反应温度控制在700℃以下6-切氟 FFC51-5)法和OS54-5约法两种：其用于月壤风化层 化法产氧效率较高，利用氟化法处理月壤的产率 电解过程如图6和7所示. 可达41.0%~44.8%.氟循环的第一批氟需以稳 两种方法在阴极的设置上不同，FFC法阴极 定氟盐的形式从地球运输.此外，金属氟化物与相 材料为具有一定强度和孔隙率的月壤风化层烧结 应的金属或金属氧化物发生反应也会造成氟损 柱，OS法的阴极材料是内部装有一定粒度月壤风 失，需从地球补充 化层粉末的阴极框（金属网或合金网）.在还原机 3.22电化学还原法 理上，FFC法是通过直接电解脱氧得到金属和氧 电化学还原法是一种通过电子的转移来实现 气，OS法是经钙热还原得到金属和氧气 氧化还原的方法.在电解质溶液中通以直流电流， 熔盐电解需要足够大的电源电压四在熔盐
循环过程较复杂. 因为氟具有较强的腐蚀性，因而 在每个反应步骤中都需要用到专用的反应器[46] . Landis 提出完整的 F 循环的工艺[47] . 经氟化反应 器后，气态组分蒸馏分离出 O2、F2、SiF4 和 TiF4， SiF4 在等离子体室中转化为金属硅和氟气体. 氧 气被储存起来供使用，而氟气体则在这个过程中 被循环利用. 整个过程如图 4 所示. O2 , F2 , SiF4 , TiF4 F2 F2 F2 CaF2 , MgF2 KF KF K Solid fluorides Regolith F2 K-reduction furnace Condenser TiF4 O2 SiF4 Si Plasma chamber Metals Molten KF electrolysis 图 4 氟化法示意图[47] Fig.4 Schematic diagram of the fluorination process[47] 整个氟化和氟再生反应需要六到八个反应 器，各步骤的反应温度控制在 700 ℃ 以下[46−47] . 氟 化法产氧效率较高，利用氟化法处理月壤的产率 可达 41.0%～44.8% [48] . 氟循环的第一批氟需以稳 定氟盐的形式从地球运输. 此外，金属氟化物与相 应的金属或金属氧化物发生反应也会造成氟损 失，需从地球补充. 3.2.2 电化学还原法 电化学还原法是一种通过电子的转移来实现 氧化还原的方法. 在电解质溶液中通以直流电流， 产生正负离子的迁移，在阳极上发生氧化反应析出 气体，在阴极上发生还原反应析出金属. 根据电解 质的差别可分为直接熔融电解法和熔盐电解法. 熔融电解法是直接以熔融月壤为电解质来进 行电解的方法. 如图 5 所示，在 1600 ℃ 左右的高 温条件下，电解槽内熔融状态月壤熔体通电后，金 属阳离子在阴极放电析出金属或合金，含氧阴离 子在阳极放电析出氧气，实现目标金属材料和氧 气的制备. O2− O2 O2 Dust Filter Molten regolith Metal Metal alloy Cathode Anode 图 5 熔融电解法示意图[49] Fig.5 Schematic diagram of the molten electrolysis process[49] 金属氧化物的熔融电解还原取决于温度和电 势，常见的金属氧化物都可以通过熔融电解法还 原[41] . 熔融电解过程需保持较高温度，由于反应温 度较高，熔融风化层具有一定化学侵蚀性，对电极 材料提出了较高要求. 电极必须是耐腐蚀材料且 能承受 1600～2000 ℃ 的高温，研究中使用较多的 电极材料有铱、钼、铂等贵金属或导电陶瓷等[50] . 由于原料和电解条件的限制，目前仍然缺乏对于 直接熔融电解月壤的相关研究. 熔盐电解法是将月壤风化层作为阴极材料并 熔于熔盐介质来进行电解的方法. 电解过程中，阴 极的金属阳离子被还原为金属，氧离子迁移至惰 性阳极以氧气形式析出. 目前熔盐电解法主要由 FFC[51−53] 法和 OS[54−55] 法两种；其用于月壤风化层 电解过程如图 6 和 7 所示. 两种方法在阴极的设置上不同，FFC 法阴极 材料为具有一定强度和孔隙率的月壤风化层烧结 柱，OS 法的阴极材料是内部装有一定粒度月壤风 化层粉末的阴极框 (金属网或合金网). 在还原机 理上，FFC 法是通过直接电解脱氧得到金属和氧 气，OS 法是经钙热还原得到金属和氧气. 熔盐电解需要足够大的电源电压[42] . 在熔盐 CO, H2 H2O O2 H2O H2 CH4 CH4 Regolith Electrolysis Sabatier reactor 图 3 部分熔融还原示意图[42] Fig.3 Schematic diagram of partial melting reduction[42] · 1440 · 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 1441 Filter 电极和反应容器的化学腐蚀性较强，因而对电极 Dust 和容器有着较高的要求.高性能廉价电极和电解 槽材料开发以及真空环境下的电解效率提升也是 Chloride 目前电解法的主要研究方向.熔融电解直接以熔 0 removal 融月壤为电解质，不添加其他化学介质，在月壤资 Me CaClz 0 源原位利用上更有优势，但由于电解温度较高，目 Regolith Molten Anode cathode 前的条件难以满足熔融电解的进行.熔盐电解大 CaO+CaCl, 幅降低了电解温度，并成功的制备了金属和氧气 Furnace 但熔盐电解法需要地球供给氯化物或氟化物，熔 盐在电解过程中因挥发等造成的损耗也不利于电 图6FFC法示意图5- 解物质的循环，对实现月壤资源原位利用存在一 Fig.6 Illustration of the FFCCambridge electrolysis process 定限制.此外，由于电解整个过程中需要维持一定 Filter 温度，电解过程的加热技术也是目前电解技术亟 Regolith Dust 待解决的难题.目前研究人员已提出了几种加热 方法，但其对月球环境的适用性仍需要进一步论证 ●a+ Q Chloride 3.2.3真空热解法 Cao Ca removal 真空热解法是在一定真空度下，以聚焦加热 +CaCl, 或其他高温加热手段将金属氧化物加热到足够高 8 Me 的温度，使得金属氧化物蒸发并分解为简单氧化 LMetal alloy ““ 物、气态金属和氧气并分开收集的方法.在月球 Porous metal Molten Anode cathode CaO+CaCl, 的高真空环境下，理论上这个过程只需要提供高 温热源和各种类型的月壤即可进行.Steurer 图70S法示意图5，纠 Fig.7 Illustration of the OS molten salt electrolysis process 和Nerad6]等提出真空热分解模拟月壤制取金属 和氧气的思路，即利用高温技术将月壤风化层加 及添加剂选择上，应使金属氧化物在熔盐中有较 热到足够高的温度，如果温度高于产物气化温度， 高的溶解度，且生成的离子在熔盐中有较高的迁 则在加热区上方产生混杂氧气和气态金属的气 移速率和导电性5此外，电解液的熔点、黏度和 团.气态金属在产生后需快速的进行冷凝收集，产 蒸气压应该较低，并且不应与电极或还原产生的 生氧气不断的移出反应器并收集.整个过程的示 金属发生反应s刃，熔盐电解的反应速率与电解 意图如图8所示.金属氧化物在加热过程中，熔融 电流效率成正比，目前对于模拟月壤的熔盐电解 金属氧化物、分解出来的氧以及气态金属存在式 的电解效率在40%~60%之间，而在冰晶石熔盐 (2)热力学平衡： 体系中电解铝的电流效率可达95%51，可见月壤 Me,Oy()M(2 (2) 风化层熔融盐电解有较大的改进潜力.目前已有 关于模拟月壤的惰性阳极电解研究.Lomax 式中，“Me”代表金属元素.由式(2)可知，反应为 等IB网利用Metalysis-FFC法将月球表层模拟样品完 纯气相反应.不断地从反应腔中移走产生的气态 全转化为金属产品.在电解过程中，在掺杂了SnO2 金属和氧气使得氧分压和气态金属分压保持在很 的惰性阳极附近有氧气的生成，阴极产物则由三 低的水平，就能使反应朝着产生金属和氧气的方 种合金组成：铝/铁、铁/硅和钙/硅/铝，检测显示合 向移动，发生气相还原反应6例 金产物中氧的质量分数仅为3%.Xie等60使用 研究发现，一些氧化物在高温下倾向于先形 Feo,.s8Nio,42合金作为惰性阳极，在NaF-AF;-FeTiO3 成简单氧化物，如AIO、SiO和TiO等2真空热 熔盐体系中开展电解钛铁矿制备合金和氧气的研 解需要较高的温度，高温等离子体加热、电辐射加 究.在阴极获得了AlFe、Al3Ti等铝基合金，在阳 热、激光或太阳能聚焦加热等是目前真空热解的 极获得纯度超过97%的氧气.其电流效率为 主要加热技术.Burton等I6a]设计了一个采用核辐 40.12%~45.63% 射源加热的封闭间歇循环系统，模拟了从月壤风 电解法由于需要在高温条件下进行，原料对 化层中提取氧气的过程.此外，也有研究报道了利
及添加剂选择上，应使金属氧化物在熔盐中有较 高的溶解度，且生成的离子在熔盐中有较高的迁 移速率和导电性[56] . 此外，电解液的熔点、黏度和 蒸气压应该较低，并且不应与电极或还原产生的 金属发生反应[55, 57] . 熔盐电解的反应速率与电解 电流效率成正比，目前对于模拟月壤的熔盐电解 的电解效率在 40%～60% 之间，而在冰晶石熔盐 体系中电解铝的电流效率可达 95% [58] ，可见月壤 风化层熔融盐电解有较大的改进潜力. 目前已有 关 于 模 拟 月 壤 的 惰 性 阳 极 电 解 研 究 . Lomax 等[59] 利用 Metalysis-FFC 法将月球表层模拟样品完 全转化为金属产品. 在电解过程中，在掺杂了 SnO2 的惰性阳极附近有氧气的生成，阴极产物则由三 种合金组成：铝/铁、铁/硅和钙/硅/铝，检测显示合 金产物中氧的质量分数仅为 3%. Xie 等[60] 使用 Fe0.58−Ni0.42 合金作为惰性阳极，在 NaF−AlF3−FeTiO3 熔盐体系中开展电解钛铁矿制备合金和氧气的研 究. 在阴极获得了 Al3Fe、Al3Ti 等铝基合金，在阳 极获得纯度超 过 97% 的氧气 . 其电流效率 为 40.12%～45.63%. 电解法由于需要在高温条件下进行，原料对 电极和反应容器的化学腐蚀性较强，因而对电极 和容器有着较高的要求. 高性能廉价电极和电解 槽材料开发以及真空环境下的电解效率提升也是 目前电解法的主要研究方向. 熔融电解直接以熔 融月壤为电解质，不添加其他化学介质，在月壤资 源原位利用上更有优势，但由于电解温度较高，目 前的条件难以满足熔融电解的进行. 熔盐电解大 幅降低了电解温度，并成功的制备了金属和氧气. 但熔盐电解法需要地球供给氯化物或氟化物，熔 盐在电解过程中因挥发等造成的损耗也不利于电 解物质的循环，对实现月壤资源原位利用存在一 定限制. 此外，由于电解整个过程中需要维持一定 温度，电解过程的加热技术也是目前电解技术亟 待解决的难题. 目前研究人员已提出了几种加热 方法，但其对月球环境的适用性仍需要进一步论证. 3.2.3 真空热解法 真空热解法是在一定真空度下，以聚焦加热 或其他高温加热手段将金属氧化物加热到足够高 的温度，使得金属氧化物蒸发并分解为简单氧化 物、气态金属和氧气并分开收集的方法. 在月球 的高真空环境下，理论上这个过程只需要提供高 温 热 源 和 各 种 类 型 的 月 壤 即 可 进 行 . Steurer 和 Nerad [61] 等提出真空热分解模拟月壤制取金属 和氧气的思路，即利用高温技术将月壤风化层加 热到足够高的温度，如果温度高于产物气化温度， 则在加热区上方产生混杂氧气和气态金属的气 团. 气态金属在产生后需快速的进行冷凝收集，产 生氧气不断的移出反应器并收集. 整个过程的示 意图如图 8 所示. 金属氧化物在加热过程中，熔融 金属氧化物、分解出来的氧以及气态金属存在式 （2）热力学平衡： MexOy(g) ↔ xMe(g) + y 2 O2 （2） 式中，“Me”代表金属元素. 由式（2）可知，反应为 纯气相反应. 不断地从反应腔中移走产生的气态 金属和氧气使得氧分压和气态金属分压保持在很 低的水平，就能使反应朝着产生金属和氧气的方 向移动，发生气相还原反应[62] . 研究发现，一些氧化物在高温下倾向于先形 成简单氧化物，如 AlO、SiO 和 TiO 等[62] . 真空热 解需要较高的温度，高温等离子体加热、电辐射加 热、激光或太阳能聚焦加热等是目前真空热解的 主要加热技术. Burton 等[63] 设计了一个采用核辐 射源加热的封闭间歇循环系统，模拟了从月壤风 化层中提取氧气的过程. 此外，也有研究报道了利 O2− O2 O2 Me Regolith cathode Molten CaO+CaCl2 Furnace Anode Dust Chloride removal CaCl2 Filter 图 6 FFC 法示意图[51-52] Fig.6 Illustration of the FFC Cambridge electrolysis process[51-52] Regolith Ca Ca2+ O2− CaO MeO Me Porous metal cathode Metal alloy Molten CaO+CaCl2 Anode O2 O2 Filter Dust Chloride removal CaCl2 图 7 OS 法示意图[53-54] Fig.7 Illustration of the OS molten salt electrolysis process[53-54] 车 浪等： 月壤原位利用技术研究进展 · 1441 ·