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 ·