美國月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”技術(shù)路線最新進(jìn)展及對我國的啟示

導(dǎo)言：月壤作為月球最豐富的原位資源，其含有的氧元素與金屬成分是支撐月球長期駐留的核心物質(zhì)基礎(chǔ)。美國圍繞月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，為我國月球基地建設(shè)及深空資源利用戰(zhàn)略提供了重要借鑒。

關(guān)鍵詞：月壤 “提氧-副產(chǎn)金屬” 熔融月壤電解(MRE) 碳熱還原技術(shù) 月球原位資源利用(ISRU)

圖1 地球土壤與月球風(fēng)化層對比信息圖

一、美國月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”技術(shù)路線最新進(jìn)展

美國聚焦氧-金屬聯(lián)產(chǎn)核心目標(biāo)，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同、多技術(shù)路徑并行的研發(fā)模式，推動技術(shù)從實驗室走向工程化驗證，在核心技術(shù)突破、系統(tǒng)集成配套等方面取得多項進(jìn)展。

1.核心技術(shù)路線及驗證突破

(1)熔融月壤電解(MRE)

熔融月壤電解(MRE)是NASA(美國國家航空航天局)定義的高風(fēng)險、高性能月壤資源利用技術(shù)，通過高溫熔融與通電可同步分離氧氣和鐵、硅、鋁等金屬，兼具高產(chǎn)率與規(guī)模化潛力，是美國重點布局的核心技術(shù)路線。

美國月球資源公司(Lunar Resources)在美國肯尼迪航天中心(Kennedy Space Center)模擬月球環(huán)境中，完成25kg高地月壤模擬物真空電解試驗，試驗總時長36小時、電解階段24小時，氧氣產(chǎn)量達(dá)到理論預(yù)期值，同時產(chǎn)出可用于分析的金屬與熔渣副產(chǎn)物。美國藍(lán)色起源公司(Blue Origin)以MRE技術(shù)為核心推進(jìn)Blue Alchemist項目，目標(biāo)實現(xiàn)月面月壤到氧氣、金屬材料的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)一步制造太陽能電池與電力傳輸導(dǎo)線，目前該項目已完成關(guān)鍵設(shè)計評審，計劃2026年內(nèi)開展地面模擬月面環(huán)境的系統(tǒng)級測試。此外，MRE技術(shù)還具備地面轉(zhuǎn)化價值，可應(yīng)用于清潔鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域，已獲得美國能源部資金支持，并與地面工業(yè)界建立合作，實現(xiàn)地月技術(shù)雙向賦能。

圖2 NASA在真空高溫條件下開展熔融月壤電解(MRE)相關(guān)地面試驗

圖3 美國藍(lán)色起源公司(Blue Origin)“Blue Alchemist”項目工藝產(chǎn)

圖3 美國藍(lán)色起源公司(Blue Origin)“Blue Alchemist”項目工藝產(chǎn)物示例：金屬/硅/玻璃等

(2)碳熱還原技術(shù)

在產(chǎn)業(yè)協(xié)同方面，NASA通過“臨界點(Tipping Point)”等商業(yè)化技術(shù)成熟資助機(jī)制，與美國西銳航天公司(Sierra Space)共同推進(jìn)碳熱還原原型反應(yīng)器及其加熱/供能等關(guān)鍵子系統(tǒng)開展集成驗證與工程化成熟，從而降低后續(xù)月面演示風(fēng)險。

圖4 NASA約翰遜航天中心(JSC)碳熱還原演示(CaRD)試驗艙：高功率激光器與反應(yīng)器

(3)其他關(guān)鍵技術(shù)路徑

為滿足月壤資源開發(fā)的技術(shù)多樣性需求，NASA同步推進(jìn)多條差異化技術(shù)路線，覆蓋不同月球區(qū)域資源特性。

氫/一氧化碳(H2/CO)還原技術(shù)

該技術(shù)路線適配赤道月海月壤特性，技術(shù)成熟度已達(dá)TRL 5。其核心可行性驗證于2008年完成——美國洛克希德?馬丁公司(Lockheed Martin)與約翰遜航天中心(JSC)分別研制兩套面包板系統(tǒng)，在夏威夷完成類月海模擬物地面驗證，成功驗證技術(shù)原理與概念操作流程;此后，該技術(shù)持續(xù)迭代優(yōu)化，其中美國Pioneer Astronautics公司(現(xiàn)更名為Redwire公司)開發(fā)的MMOST系統(tǒng)，進(jìn)一步實現(xiàn)月壤分選、制氧與金屬提取的一體化集成，將該技術(shù)與實際應(yīng)用場景深度結(jié)合，延續(xù)其技術(shù)實用性與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

真空蒸發(fā)/熱解技術(shù)

目前處于TRL4階段，正通過低溫蒸餾分離、電磁分離提純、固體氧化物輸氧等多方向優(yōu)化性能，核心目標(biāo)是提升氧提取效率與產(chǎn)物純度，相關(guān)研發(fā)依托企業(yè)自主研發(fā)及風(fēng)險投資推進(jìn)。

鹽酸還原-熔鹽電解聯(lián)用技術(shù)

在Lunar Forge(月球熔爐)挑戰(zhàn)賽中完成實驗室關(guān)鍵步驟驗證，證實其對月球高地斜長巖的金屬提取潛力，技術(shù)同樣具備地月雙重應(yīng)用價值，可借鑒其工藝優(yōu)化地面金屬冶煉流程，目前通過公私合作模式持續(xù)推進(jìn)工程化研發(fā)。

2.系統(tǒng)集成與配套技術(shù)支撐

(1)MMOST集成化系統(tǒng)

NASA資助的“月球到火星氧氣與鋼材技術(shù)”(MMOST)是面向“制氧+制鐵/鋼”的一體化集成探索。系統(tǒng)通常以粒度分級與選礦/富集(可包含電磁分選等)提升富鐵礦物比例為前端基礎(chǔ)，在此之上采用H2/CO還原將月壤中金屬氧化物還原為金屬鐵/合金等產(chǎn)物，并通過水電解等環(huán)節(jié)制取氧氣并回收還原劑，金屬產(chǎn)物進(jìn)一步經(jīng)熔煉/精煉獲得可用的鐵/鋼材形態(tài)。公開信息顯示，該體系仍以實驗室/原型與模塊級集成為主，面向工程化應(yīng)用仍需在連續(xù)運行、能量系統(tǒng)匹配、耐久性與自動化運維等方面進(jìn)一步驗證。

圖5 MMOST概念流程(氫還原—電解閉路循環(huán))：月壤制氧與制鐵/鐵基材料聯(lián)產(chǎn)

(2)探測-開采-輸送協(xié)同體系

美國高度重視資源探測與原料保障的閉環(huán)構(gòu)建，強(qiáng)調(diào)“遙感選址-就位驗證-采掘/輸送工藝”的全鏈路協(xié)同。在資源先期預(yù)判層面，依托軌道遙感與極區(qū)永久陰影區(qū)環(huán)境模型開展分析;在采掘運輸驗證層面，通過地面模擬試驗與挑戰(zhàn)賽進(jìn)行工程化驗證。其中，NASA探測用原位資源利用有效載荷(IPEx)原型機(jī)地面模擬驗證指標(biāo)為5天完成10噸月壤采掘轉(zhuǎn)運，“11天完成同等任務(wù)量”為工程化階段參考目標(biāo)，同步驗證百米級運輸能力;“月球破冰”挑戰(zhàn)賽則以“24小時持續(xù)作業(yè)完成800kg含冰/揮發(fā)物模擬月壤的開采與交付，并完成500米級運輸”為目標(biāo)，檢驗系統(tǒng)能力與能效、質(zhì)量約束下的方案可行性。極區(qū)就位探測方面，VIPER項目計劃調(diào)整后轉(zhuǎn)向商業(yè)交付路徑推進(jìn)，具體發(fā)射與部署以NASA官方更新為準(zhǔn)。

3.關(guān)鍵路線成熟度對比

根據(jù)NASA 2025年5月發(fā)布的資料，其月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”核心技術(shù)的TRL等級呈現(xiàn)階梯化特征，主流技術(shù)路線已進(jìn)入工程化驗證前期階段，具體如下表所示：

表 NASA月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”關(guān)鍵技術(shù)TRL等級對比表

二、我國的啟示

面向月面長期駐留需求，我國可借鑒美國相關(guān)模式，推動月壤“提氧-副產(chǎn)金屬”技術(shù)從機(jī)理研究邁向系統(tǒng)驗證，按三階段推進(jìn)，建立統(tǒng)一指標(biāo)與開放平臺，實現(xiàn)技術(shù)可迭代、可工程化遷移。

1.構(gòu)建全鏈條技術(shù)體系，布局多元技術(shù)路線

立足嫦娥任務(wù)已取得的月壤研究基礎(chǔ)，打破單一技術(shù)攻關(guān)局限，同步推進(jìn)月壤開采、輸送、提取、加工全鏈條技術(shù)研發(fā);針對月球不同區(qū)域的資源特性，差異化布局熔融電解、還原法、熱解法等技術(shù)路線，補(bǔ)齊原料供給等環(huán)節(jié)的技術(shù)短板，形成“多條技術(shù)路線并行、各環(huán)節(jié)配套支撐”的技術(shù)體系，提升技術(shù)容錯率與規(guī)模化應(yīng)用潛力。

2.強(qiáng)化探測和研發(fā)協(xié)同，建立高精度資源數(shù)據(jù)庫

依托嫦娥七號/八號任務(wù)，開展月球南極水冰與礦物成分的精細(xì)化就位探測，獲取不同區(qū)域月壤的礦物組成、含量分布等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，建立高精度月球資源數(shù)據(jù)庫;推動探測數(shù)據(jù)與提氧-金屬提取工藝研發(fā)的深度聯(lián)動，根據(jù)實際資源條件優(yōu)化工藝參數(shù)，避免研發(fā)與月球?qū)嶋H資源環(huán)境脫節(jié)，降低后續(xù)技術(shù)落地的適配風(fēng)險。

3.攻關(guān)低能耗綠色工藝，實現(xiàn)地月技術(shù)雙向賦能

結(jié)合我國月球基地以太陽能供電為主的規(guī)劃，聚焦月面能源供應(yīng)約束問題，重點攻關(guān)低能耗提取技術(shù)，優(yōu)化工藝熱利用效率與核心部件(如電極)材料性能;探索月壤ISRU技術(shù)與地面清潔冶金、金屬冶煉產(chǎn)業(yè)的融合路徑，將月球技術(shù)研發(fā)的工藝、核心原理應(yīng)用于地面綠色制造，通過地月技術(shù)雙向賦能降低研發(fā)成本，實現(xiàn)“深空研發(fā)反哺地面產(chǎn)業(yè)”的良性循環(huán)。

4.發(fā)展模塊化自動化系統(tǒng)，適配月面極端環(huán)境

采用模塊化設(shè)計理念研發(fā)月壤資源利用設(shè)備，提升設(shè)備的月面部署靈活性、維護(hù)便捷性與系統(tǒng)兼容性，適配從初期小規(guī)模驗證到大規(guī)模基地建設(shè)的不同需求;重點研發(fā)自主開采、智能輸送與工藝操作機(jī)器人，攻克低重力、高真空、強(qiáng)輻射環(huán)境下的無人化運行技術(shù)，提升設(shè)備自主運行可靠性，減少對地面操控的依賴。

5.挖掘金屬高附加值利用，構(gòu)建資源利用閉環(huán)

突破月壤提取金屬的粉末制備、成型加工，以及月球建材原位成型等關(guān)鍵技術(shù)，推動提取的氧、鐵、硅、鋁等產(chǎn)物向月面生命保障、基地結(jié)構(gòu)建設(shè)、能源設(shè)備制造等領(lǐng)域延伸;構(gòu)建“月壤資源-提取材料-原位應(yīng)用”的閉環(huán)體系，提升原位資源利用的綜合效益，為月球基地自主建設(shè)與長期駐留提供核心物質(zhì)支撐。

6.深化產(chǎn)學(xué)研與國際合作，提升技術(shù)轉(zhuǎn)化與國際話語權(quán)

建立類似NASA SBIR(小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃)、STTR(小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移計劃)的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研發(fā)機(jī)制，通過資金支持、項目招標(biāo)等方式鼓勵企業(yè)參與月壤ISRU技術(shù)研發(fā)與工程化轉(zhuǎn)化，發(fā)揮企業(yè)在技術(shù)落地、產(chǎn)業(yè)配套中的優(yōu)勢，加速技術(shù)從實驗室到工程化產(chǎn)品的迭代;依托國際月球科研站倡議，積極參與月球原位資源利用的國際標(biāo)準(zhǔn)制定，加強(qiáng)與國際伙伴的技術(shù)、數(shù)據(jù)共享，在引進(jìn)先進(jìn)研發(fā)經(jīng)驗的同時，提升我國在深空資源利用領(lǐng)域的國際話語權(quán)。(來源：北京藍(lán)德信息科技有限公司)

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