月球探测与资源开发利用研究

1、月球探测与资源开发利用研究（ 1）胡经国、尸、 亠前言月球（The Moon），即人类肉眼所见的月亮，是地球唯一的卫星，并且是 太阳系中第五大卫星。月球直径大约是地球的1/4；月球质量大约是地球的1/81。月球表面布满了由于小天体撞击而形成的撞击坑。月球与地球的平均距 离约为 38.44万千米，大约是地球直径的 30 倍。月球可能形成于大约 45 亿年前，在地球形成后不久。有关月球的起源有几 种假说。其中，得到更多事实证据支持的假说是“大碰撞起源说”。它认为， 月球是由于地球与火星般大小的天体“忒伊亚”之间一次巨大撞击所产生 的碎片在地球外围聚集而形成的。从月震波的传播了解到，月球也具有壳、幔

2、、核分层结构。月球最外层的月壳平均厚度约为6064.7公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了 月球的大部分体积。月幔下面是月核。月核的温度约为 10001500 r，所以月 核很可能是呈熔融状态的。据推测，月核大概是由 Fe-Ni-S 和榴辉岩物质构成 的。月球表面有阴暗和明亮两种区域。其中，亮区是高地，暗区是平原或盆地 等低陷地带，它们分别被称为月陆和月海。在过去，月球资源（Moon Resources被定义为月球上可被人类利用的作 为天然物质的实体资源。而且，通常是指月球上可供人类开发利用的丰富的物 质资源、奇特的环境资源、珍贵的信息资源、高位的位置资源和神秘的战略资 源等。在信息

3、时代，月球资源这一概念的内涵有了进一步的扩展和延伸。据认 为，在信息时代，最具开发价值的月球资源不仅包括有形的实体自然资源，而 且还要包括符合时代发展的无形资源以及有形资源与无形资源的结合体。有关 文献还设想了以下几种可能的、相互关联的月球资源：文化品牌资源、特殊位 置资源、月痕资源和遥物权资源；并且还提出了关于月痕资源开发体系的构 想。本文拟根据本人手中目前掌握的有关资料，比较全面系统地综合论述迄今 为止月球探测与研究的成果以及月球资源及其开发利用的研究成果，供读者进 一步深入了解和研究参考。一、地球人类文明与月球探测 一般而言，地球人类所建立的物质文明和精神文明统称为人类文明。文明 出现的

4、判定标准，主要是道德礼仪的出现，文字的产生，国家公平规则制度的 建立；文化变迁对于文明的产生有很大的作用。 人类文明发展了 6000 年，然而 只有近百年来的发展最快。 据认为，有两个原因；一个原因是人类温饱问题得 到了较好的改善；另一个重要原因是人类社会开始稳定了下来，人类走上了科技、文化高速发展的道路。月球探测是人类文明发展的一个重要方向和趋势。月球探测(The Moon Probe)是指利用航天器对月球进行的各种探测。月 球是地球的天然卫星，它当然成为人类进行空间探测的第一个目标。 1969 年 7 月 21 日，第一个宇航员和月行车登上月球，进行月球探测。从 1959 年起， 美、前苏

5、两国就开始发射探测器对月球进行探测，已发射约 70个月球探测器和 登月载人飞船。月球是航天深空探测的重点天体。长久以来的天文观察和最近45 年来的航天探测，已经使人类对月球的面目有了相当多的认识。、月球探测综述1、月球探测目的与月球基地建设、月球蕴藏有丰富的自然资源 、矿产资源月球蕴藏有丰富的矿藏。月球上稀有金属的储量比地球还多。月球岩石主 要有三种类型：第一种是富含铁、钛的月海玄武岩；第二种是斜长岩，富含 钾、稀土和磷等，主要分布在月球高地；第三种主要是由粒径0.11毫米的岩屑颗粒组成的角砾岩。月球岩石中含有地球中的全部元素和 60种左右的矿物， 其中 6 种矿物是地球所没有的。科学家指出，

6、要开发月球必须对月球进行全面的探测，了解月球的资源， 并且逐步对月球资源进行开发利用。月球的矿产资源极为丰富。地球上最常见 的 17 种元素，在月球上比比皆是。以铁为例，仅月面表层 5 厘米厚的沙土中就 含有上亿吨铁，而整个月球表面平均有 10米厚的沙土。月球表层的铁不仅异常 丰富，而且还便于开采和冶炼。据悉，月球上的铁主要是氧化铁，只要把氧和 铁分开就行。此外，科学家已研究出利用月球土壤和岩石制造水泥和玻璃的办 法。在月球表层，铝的含量也十分丰富。 、能源资源月球土壤(Lunar Soil)中还含有丰富的氦-3。利用氘和氦-3进行的核聚变 可作为核电站的能源。这种核聚变不产生中子，安全无污染

7、，是容易控制的核 聚变；不仅可用于地面核电站，而且特别适合作为宇宙航行的能源。据悉，月 球土壤中氦 -3的含量估计为 715000吨。从月球土壤中每提取 1 吨氦-3，可得到 6300吨氢、 70 吨氮和 1600 吨碳。从目前的分析看，由于月球的氦 -3 蕴藏量巨 大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。许多航天大国都已 将获取氦 -3 作为开发月球的重要目标之一。 、水资源1998 年 3 月 5 日，美国航天局向全球发布了一条特大新闻：“月球勘探 者”号探测器发现月球两极存在大量液态水。其储量约为0.13亿吨。它们分布在月球北极近 5 万平方公里和南极近 2 万平方公里的范围

8、内。如果月球陨石 坑底部土壤水层非常深厚，那么月球上的水资源储量最终有可能达到 13亿吨。 月球上的水资源首次被证实。这一振奋人心的消息使科学家欣喜若狂。在全世 界也产生了强烈反响。因为，这一发现对于人类在下个世纪建立永久性月球基 地具有里程碑式的重大意义。科学家认为，月球上存在的水资源可能是人类在太阳系中拥有的最宝贵的 “不动产”。即使月球水的储量只有 3300 万吨，也足以保证 2000 人在月球上 生活 100 多年。而且，从月球土壤中提取水是一个“简单”的过程；将混有冰 的泥土收集起来加热，使冰融化后便可得到水。据估计，现在找到的这些冰水 可以填满一个深 11 米、面积 10 平方公里

9、的湖泊。月球水是生命之源。它不仅 能供给宇航员饮用和生活之用，使他们在月球上的持续停留时间更长；还可以 在太空栽培农作物或喂养动物。水又是一种动力源。可以分解为氢和氧，为行 星探测飞船提供燃料，大大延长飞船的使用寿命。有了水，科学家可以方便地 开发月球上的各种自然资源；还可以把月球当作探测宇宙空间的前哨基地。水 对于研究月球的成因和性质也具有相当重要的意义。当然，开发月球上的水资源并非易事。因为，月球上的冰块并非集中在某 一个冰冻层。大量的冰同岩石、尘土混杂在一起，估计其含量仅占 0.3%1%。此外，由于月球陨石坑一直不见天日，坑内混度太大，需要能在月 球两极-230r低温下工作的机器。但是，

10、制造这样的机器极为困难。尽管如 此，既然月球有水，那么人类重返月球，建立月球基地，开发月球资源，将成 为 21 世纪人类科技的目标。此外，月球水资源的开发和利用，也将使太空旅游 由理想变成现实。、月球基地建设发展阶段人类在月球上进行科学探测与研究活动，开发利用月球资源，建立永久性 月球基地(Lunar Base)是十分必要的。至于月球基地建设和月面活动方案，已 有很多建议。由于目的不同及建议者不同，因而各种方案有着很大的差别。但 是，从总体构思上对这些方案进行剖析，不难发现月球基地建设和月面活动可 分为以下几个发展阶段。 、基地建设准备阶段对地形及资源进行调查。 、建设前哨基地在月面临时居住，

11、进行向下一阶段过渡的准备作业。月球前哨基地建设意味着人类已跨入月球基地建设的第二阶段。应该说， 这时的人类开发月球活动，还仅仅是一个开端。年轻的科学家将奔赴月球前哨 基地，到第一线去参加实际考察。希望能够掌握更多的第一手资料，为开发月 球、建设月球基地献出美好的青春。年富力强的实业家，被月球上丰富的自然 资源所吸引。他们将开辟新的战场，到月球上去开矿、建厂、创业，加快月球 资源开发利用步伐，在月球上去大展宏图。 、建立月球生产基地在月面上长期居住，生产活动开始。A、对月球基地建筑物的属性要求这里必须强调的是，当大批人马进入月球基地，转入建立月球生产基地阶 段时，需要解决的问题比前哨基地建设要复

12、杂得多、困难得多。这是因为，人 员增多，需要就地建设住宅，再依靠着陆器上的航天员住宅已经远远不能满足 需求。而月面是真空的，表面温度在 -170C+130C之间变化，温差极大。此 外，还需经受宇宙射线和微小陨石骚扰等危险环境的考验。为了使航天员能长 期生活在这样严峻的自然环境中，月球基地的各种建筑物的结构必需具有高度 的气密性、绝热性、抗辐射性等属性。科学家为此已勾画出月球生产基地的基 本轮廓，提出了月球上工农业生产和科研的布局，提供给设计师作为建筑设计 的依据。B、月球优先生产的产品原则根据月岩样品及大量有关资料的研究与分析，确定了月球优先生产的产品 原则，主要是充分利用月球资源，为扩建月球

13、基地而生产所必须的原材料，重 点放在制氧、金属冶炼、建筑材料的制备等方面。为了实现这一目的，人们已 对月球上的加工厂的生产工艺流程及制备方法进行了多方面的详细研究。C、制氧及其工艺流程科学家很早就已经开展了利用月球表土制取氧的方法研究。他们利用阿波 罗飞船取回的月球沙土进行实验。在iooo r高温下，让月沙中的钛铁矿和氢接触生成水，再将水通过电解制取氧。研究表明，提取 1 吨氧，约需 70吨的月球 表土。考虑到在月球上生产的特殊情况，建议在月球基地建设的同时，应考虑 配备一套小型的化学处理设备；利用太阳能作动力，每天大约可制备出 100千 克的液氧。其具体工艺流程是：利用月球岩石在高温下与甲烷

14、发生反应，生成一氧化 碳和氢；在温度较低的第二个反应器中，一氧化碳再与更多的氢发生反应，还 原成甲烷和水；然后，使水冷凝，再电解成氢和氧；把氧储存起来供使用，而 氢则送回系统中再循环使用。据预测，月球制氧设备，最初是为月面上航天员 提供氧气之用。但是，他们需要的氧气并不多，一个12人规模的基地，每月也只需要 350 千克氧气；而一套制氧设备在连续工作后，可生产出相当数量的氧 气。因此，在月球基地建设时，应同时建造一个永久性的液氧库，以便供给航 天器作为低温推进剂燃料使用。D、制钛及其工艺流程十分有意义的是，在制氧过程中经过化学处理后得到的“矿渣”，却成为 了上等的副产品。因为，它含有丰富的游离

15、态硅和可供冶炼的金属氧化物，只 要采用适当的工业方法便可继续冶炼，炼制出工业上极有使用价值的金属钛。科学家提出的制钛工艺流程是：将“矿渣”通过机械粉碎、磁选，提取出 铁钛氧化物；在1273C高温下加氢处理，生成氧化钛；再以硫酸置换出其中的 铁，接着和碳混合，在 700C温度下通入氯气，经过化学反应生成四氯化钛； 然后在2000C高温下加热，投入镁以便脱出氯，最终得到熔融态的钛。E、精制铝及其工艺流程铝的精制方法更为新颖。月面上的铝是利用具有复杂结构和组成的斜长石精制而成的。倘若用常规精炼方法制铝，在月面上很难获得成功。科学家经过反复试验与研究，提出了一套精制铝的新的工艺流程：将月岩粉碎，在17

16、00C温度下加热熔化；然后在水中冷却至100C，制成多质的球；再经粉碎，在其中加入100C的硫酸，即可浸出铝；用离心分离法和过滤法除去硅化物后，再 将它在900C温度下进行热解反应，得到氧化铝和硫酸钠的混合物；随后洗去 硫酸钠，并进行干燥；再与碳混合加热的同时，加入氯气与之进行反应，生成 氯化铝；经电解，获得最终产品纯铝。G、月球玻璃精制方法建筑业离不开玻璃。因此，在月面上生产玻璃显得尤为重要。通常的玻璃 是由7173%的氧化硅，1214%的碳酸钠，1214%的氧化钙组成。月球土 壤中含有4050%的氧化硅。在月面上制造玻璃是以硅玻璃为主。其精制方法 较为简单，即：在月球土壤中根据需要加入各种

17、微量添加物；用硫酸溶解出一 些无用的成分之后，在15001700C下熔化；然后经压延冷却，即可制成月球 玻璃。H、混凝土制造与组装式月球基地构建随着月球资源开发取得相当惊人的成果，试生产阶段已告一段落。然而， 小型试生产的产品已远远不能满足需求，需要进一步扩大再生产，使月球生产 活动逐步走向批量化生产。与此同时，由于进入月球参加开发的人员增多，所 建月球基地已显得拥挤不堪，需要完成改建、扩建基地工程。这无疑需要大量 的建筑材料，尤以对混凝土的用量为最大。值得庆幸的是，制造混凝土所需的 沙土、石子、水泥，都可以在月面就地取材。混凝土结构具有成本低、易于成 型、抗辐照等优点，是建设月球基地最有希望

18、的建筑材料。新型月球基地，可根据设计采用混凝土预制的舱体来建造。当然，被采用 的月球混凝土构件的形式是很多的。这里介绍一种通用舱段采用的六棱柱形混 凝土构件。其制作方法是：先用混凝土制成框架和壁板；然后装配成形。这种 形式的舱体的最大优点是非常灵活。由于它是六角形体，通过各个面既可向平 行方向辐射扩展，亦可向垂直方向（向上）扩展，墙壁、天花板、地板随时都 可拆卸，也可根据需要再组合拼接，扩建基地，调整空间。最后，将套在它里 面的圆筒式的增压舱体连接起来，便构成了一个组装式月球基地。I、“挖掘-装填”建造技术与月面研究实验基地设计人们到月球上建设基地，除了开发资源发展生产以外，最终目标还是想把

19、月球扩建成移民区，让更多的人到月球上观光、游览，或者带着全家老小移居 到月球上，做一名月球人。这样一来，其建设规模更加庞大，需要的建筑材料 更多；并且要求寻找一种更为简便的施工方法。一些科学家提出，在南极洲应 用过的一种称为“挖掘装填”的建造技术，也完全适用于月球。其具体方法 是：推土机在月球表面的松软岩层或“浮土”中挖出一条壕沟；再把一节节的 圆筒式增压舱装入壕沟中；连接紧固后，在它上面覆盖很厚的一层月球岩土， 既可耐热、绝热、保温，又可防止辐照。科学家已设计出一个月面研究实验基地。其主要任务是进行月面上的天文观测、地貌地质调查、矿产资源勘查等。其设计规模可容纳60名航天员，能提供居住 6

20、个月以上的能源及生活必需品月面研究实验基地，以球形舱和圆筒形舱构成环状体，分为工作区和生活 区两大部分。其工作区由研究实验舱、工业生产舱、农作物种植舱、生态环境生命保障 舱、管理舱、能源舱、物资供给舱和航天港等组成。其中，农作物种植舱，除 了生产农作物以外，还饲养鸡、羊、兔、鱼等动物，培植藻类、蕨类植物，以 及水果蔬菜等。生态环境生命保障舱，配备有气体净化处理、水处理、排泄物 处理等设施。能源舱，主要是太阳能发电设备；在舱外平地上安放大面积的太 阳能电池阵。航天港，距离研究实验基地稍远一些。它是用来接待和发射月球 飞船的场所。进入生活区，又是另一番天地。这里环境优美，人生活在里面感到安逸、 快

21、乐，能消除一天的工作疲劳。在生活区内，有公共场所、住宅以及生活配套 设施。公共场所供航天员之间交流情感、谈天说地、互换信息、餐饮、聚会、 娱乐等。航天员可以在柔美的乐曲声中翩翩起舞，或在影像画面中开怀畅饮， 得到足够的休息。天花板和墙整体漆成白色，使人感到明快、舒适。个人住宅 是为航天员个人睡眠、看书报和娱乐的空间；以蓝色和绿色这些冷色为基调， 使内部装饰得较为柔和；照明布置使空间富有立体感。生活在这样的环境里， 感到很幽静，容易入睡。生活配套设施，有健身房、医疗保健所等。J、月球核能发电基地建设究竟要建成什么样的月球基地，这是众多人关心的问题。一些能源科学家 建议，月球上蕴藏着大量的硅、铁、

22、铝、钛、钙、氧等元素，而在地球上这些 元素已足够供人类使用，开采月球上的这些元素还不是当务之急。只有氦在地 球上是绝无仅有的，尤其是氦 -3。它是地球上没有的能源资源，而在月球上它 的储量相当丰富，是未来核聚变反应堆的理想燃料。因此，应该优先开发，建 立月球核能发电基地。而另一些能源专家则指出，还是应该重点建设月球太阳 能发电基地。其实，这二者并不矛盾。这足以说明，解决地球未来能源短缺问 题已迫在眉睫。由于月球和地球有着类似的地质特征，都蕴藏着丰富的核资源和建设核电 站所需的原材料。因此，很适合在月球上建造核电站。在地球进行核发电时， 要使用涡轮和水；而在月球上，通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量 转换系统，便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能发电基地，将包括 核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力，通过高传输效率的短 波长激光束，也就是紫外线区的激光，输送到静止轨道上的能量中继卫星；在 中继卫星上，电能被转换成在空气中