月球表面矿产资源原位利用研究进展

摘要

月球作为地球唯一的天然卫星,存在着丰富的资源,是人类开展深空探测的首选目标,也是人类进行外层空间探测的理想基站.月球表面矿产资源原位利用技术(ISRU)一直是研究的热点,其目的在于清洁高效地提取月球表面的矿产资源,满足月球基地建设和深空探测的需求.由于月表环境特殊,传统的提取工艺不能够满足需求,所以要提出与其适用的方法.本论文从冶金学科角度阐述了ISRU的现状,介绍了月表的环境特点、月壤组成以及能源种类;叙述了月表所含矿产资源的种类、赋存状态以及各类金属的元素的质量分数以及存在的地理位置.系统归纳了现阶段ISRU提取金属的工艺,并分析了各工艺的特点,着重阐述了还原法,电解法,热解法以及其他方法的工艺及原理,并对各原位利用技术从工艺、实施角度等方面进行了总结与评估.月表矿产资源的提取必须遵循原位提取的原则,载荷和环境等条件制约着现有工艺的施行.月壤主要氧化物组成包括CaO,MgO,Al2O3,TiO2,SiO2和FeO,其储量可以满足需要.同时,针对不同资源的提取应采取不同的措施,如用氢还原实现Fe的提取,使用电解法提取Al,Si和Ti,使用热分解法提取O等.此外,文章还基于ISRU的共性与发展趋势,指出月表矿产资源的开发需要在发展新工艺的同时,以现有工艺连续化操作、清洁循环利用资源、设备小体积、轻量化以及电、光能化作为未来研究的主要方向.