面向月球科研站的原位资源利用活动展望

一、月球资源利用发展态势

截至当前，人类共实施了120余次月球探测活动，已基本了解月球矿物资源的主要类型和分布情况，并绘制了多个版本的全月地质图，为后续科研站模式下的月球资源详查、月球原位资源利用任务规划和工程实施奠定了基础。进入21世纪以来，美国、欧洲航天局（European Space Agency, ESA）和俄罗斯等国家或组织纷纷出台了面向月球资源利用的月球基地、月球村等探月计划，并开展了相关法律制定和任务模式规划研究，月球原位资源利用（In Situ Resource Utilization, ISRU）科学与技术成为月球探测活动的前沿和热点问题。

1.1 相关规划与任务进展

1）美国

美国率先开展了地外资源开发与利用政策法规和发展规划研究。2015年，美国制定了《2015外空资源探索与利用法》，提出了“谁先勘探，谁先拥有”的外空资源商业开发原则。2020年，美国总统特朗普签署了《鼓励国际社会支持空间资源回收和利用》行政令，提出美国不将外空视为全球公域，鼓励美国公民开发太空资源，吹响了太空资源抢夺开发的竞争号角。2023年，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）出台了《月球到火星战略和目标发展》，描述了在月球和火星上建立可持续的、可长期驻人的总体规划和发展目标，在10项顶层目标中有4项与资源利用相关。

在工程实施层面，NASA和美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）等机构，提出了多项支持月球资源利用的研发计划，并且逐步在商业探月任务中进行验证。为了支撑美国前总统小布什提出的“重返月球”太空探索新构想，NASA于2005年启动了“探索技术研发计划”，将月球原位资源利用列为22个研究项目之一，布局了从月球水冰中提取水和氧气技术研发任务。2019年，美国公布了规模宏大的“阿尔忒弥斯计划”，目标是建立月球永久基地，为载人登陆火星做准备。目前已有33个国家加入该计划。其中，工业界、学术界共同研究的重点是实现可扩展的ISRU生产/利用能力，包括月球和火星表面的可持续性商品供给（水、氧气和金属等）。同时，NASA通过“月面创新计划”“商业月球有效载荷服务计划”“小企业创新研究计划”等渠道布局了大量月球原位资源利用技术研究和演示验证任务。2023年8月，DARPA启动了名为“十年月球架构”（LunA-10）的研究计划，以确定10年后月球基础设施的最终商业状态，目标是开发涵盖多种服务的新型集成系统级解决方案，指导未来10年月球综合基础设施的构建。

水冰资源是当前的重点研究对象。美国直觉机器（Intuitive Machines）公司的IM-2任务，将于2024年初携带NASA的极地资源水冰采掘实验-1（PRIME-1）装置，对月球南极表面以下的水冰进行采样和分析。NASA计划随IM-2任务一起发射月球开拓者卫星，检测和绘制月球上水资源的分布和赋存丰度，以及硅酸盐矿物的类型。NASA还将于2024年发射“挥发性物质极地探索漫游者”（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, VIPER），携带可在月壤剖面中寻找水冰的钻具，在月球南极区域特别是撞击坑附近探寻水冰的赋存位置和浓度。

2）欧洲航天局

ESA和美国同期开展了月球资源开发与利用战略研究。2015年，ESA提出了“月球村”（Moon Village）项目倡议，并提出了以基地居住系统需求为中心，利用月壤作为3D打印材料建造居住舱、从阴影坑里获取水、在月球表面种植农作物等相关活动的初步构想。2019年，ESA提出将于2025年在月面开展水或氧气的原位资源利用和开发的原理验证试验。同时ESA计划将PROSPECT（Package for Resource Observation and in-Situ Prospecting for Exploration, Commercial Exploitation and Transportation）水冰资源勘查载荷搭载于俄罗斯“Luna-27”任务上，但目前该合作计划已经搁浅。同时还计划于2025年发射月球挥发分和矿物测绘轨道器（Lunar Volatile and Mineralogy Mapping Orbiter, VMMO），对月球南极附近Shackleton撞击坑内的永久阴影区实施探测，测绘水冰地图和其他挥发物的分布情况。ESA还计划在2025年前后实施一项月球ISRU演示任务，并与比利时太空应用服务公司签订了ISRULAB合同，开发从月壤中通过电解法提取氧气的设备。

3）俄罗斯

俄罗斯联邦航天局颁布的《2016—2025年联邦航天规划》，也将深空探测任务重点锁定于月球，并计划发射“Luna-25”至“Luna-28”等月球探测器，重点发展原位资源利用技术。在2019年俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）与俄罗斯科学院联合制定的《月球综合探索与开发计划草案》中，将月球原位资源利用、月球能源供给系统关键技术、人类深空探测保障技术等列为关键技术，以期实现月球基地建设、月球资源开发和月面新技术实验室建设等应用。该草案计划在2030年前开展月球资源利用试验验证，在2040年前实现规模化原位资源利用。此外，俄罗斯联邦航天局也正在与中国合作开展国际月球科研站的联合规划与联合构建，并于2021年签署了正式合作协议。

4）中国

截至2020年末，中国圆满完成了“绕、落、回”探月三期工程任务，月球探测能力体系已进入世界先进行列。目前，中国正在实施探月四期工程。“嫦娥六号”（CE-6）拟着陆于月球背面，将在世界上首次获取月球样品并返回地球；“嫦娥七号”（CE-7）拟着陆于月球南极，将对月球南极阳照区和永久阴影区内的水及挥发分等赋存形态开展遥感与采样分析相结合的证认式勘查，预期成果将有力支撑后续的月球水冰资源开发活动；“嫦娥八号”（CE-8）拟着陆于月球南极，与“嫦娥七号”一并构建形成月球科研站基本型，并在月面上首次实施月壤光热熔融成型、移动式矿物资源详查等原位资源利用新技术验证。

面向探月四期任务之后的月球探测新模式，国家航天局探月与航天工程中心在2014年便提出了“月球科研站”建设构想，并于2020年立项开展了“国际月球科研站”国际大科学工程培育项目研究（国家重点研发计划），提出了多国参与、多层次合作的国际合作新模式，初步构建形成了国际月球科研站科学目标和工程体系，为后续的工程立项实施奠定了坚实基础。面向后续的月球资源利用，探月与航天工程中心也组织了多轮论证，并将月球科研站模式下的原位资源利用作为重点发展目标之一。

5）其他国家

印度于2008年成功发射了“月船一号”探测器，发现月球极区约40个撞击坑出现雷达回波异常，认为这些撞击坑内可能存在大冰块或冰层等形态的水冰。之后，印度连续发射“月船二号”和“月船三号”探测器，拟对月球南极开展软着陆和巡视探测任务。虽然“月船二号”坠毁，但“月船三号”于2023年8月成功软着陆，并发现硫元素。此外，印度计划在2025年与日本合作开展“LUPEX/月船四号”任务，着陆到月球南纬80°以上区域，利用钻机钻取月球地下样本，通过对样本进行加热分析判断月壤中是否存在挥发物和水物质。

日本于2023年9月发射了“SLIM”（Smart Lander for Investigating Moon）月球软着陆探测器，旨在实现百米级的精确软着陆并实施低重力环境探测。2020年，日本内阁提出《宇宙基本计划》修正案，面向2020—2030年提出“实现以太空为驱动的经济增长和创新”，通过以空间探索与资源利用为支点，带动产业升级和经济增长。2021年，日本议会通过《关于促进与太空资源勘探和开发相关的商业活动的法律》，允许商业公司进行太空资源开发与利用，刺激日本国内企业涉足地外星球的开发与利用，特别是面向月球资源的开发与利用。

以色列于2019年首次发射了“创世纪”号（Beresheet）探测器，在月面软着陆中失败。当前以色列计划与阿联酋展开合作，在2024年前发射包含两颗月面着陆器和一颗轨道器的“创世纪2”号（Beresheet 2）。2021年以色列Helios公司与日本ISpace公司合作，计划在2023—2025年间在月球开展月壤高温熔融电解制氧试验，实施月面资源利用验证。

韩国于2022年成功发射了首个“Danuri”号月球轨道探测器，搭载了NASA提供的ShadowCam相机，用于探索月球南极的永久阴影区域并绘制出相应的图像，同时协助“阿尔忒弥斯计划”寻找着陆点。

1.2 发展机遇研判

纵观人类从20世纪60年代延续至今的月球探测活动，核心目标已从认识转变为认识与利用并重。月球科研站或月球基地建设成为历史必然。在未来的月球科研站建设与运营阶段，将从“单次单点”转变为“多次定点集群”，将从“地球依赖型”逐渐转变为“地-月同系”，将从“政府投入”逐渐过渡到“有经济收益”模式。这些新特点和新需求，将成为月球科研站建设与运营创新发展的牵动性因素。在认识月球阶段，美国等国家占据了国际引领地位。面向后续的月球资源利用新时代，美国已经开始实施“阿尔忒弥斯计划”，但暂未形成绝对引领优势。中国目前已具备较为先进和完善的月球及深空探测能力体系，若进一步发挥新型举国体制优势，在“嫦娥七号”“嫦娥八号”任务基础上，尽早启动“国际月球科研站”国际大科学工程计划，有望在月球资源利用领域实现国际引领。这将对中国航天强国创新发展战略具有重要意义。

1）月球资源利用领域发展潜力巨大

纵观月球资源利用发展前景，其发展水平取决于深空科学和技术的发展程度。在利用月球资源初期，有望实现生命保障（生保）物资、科研站基础设施、部分稀贵金属月基提取与转化利用新技术验证，为月球科研站自我扩建和载人登月活动补充部分物资；在月球资源利用的中期，可以实现水/氧气/氢气等生保和推进剂的规模化生产，可利用月基矿物资源提取并制造零部件、建造小规模月基建筑，部分物资将不依赖于地球；在月球资源利用的远期，可构建出网点化功能站，如极区水冰提取站、稀贵金属冶炼站、月基制造站和月基发射场等，绝大多数物资将不依赖地球的运载，并可实现月基发射。月球科研站将成为人类地-月同系活动的主场地，促进形成地-月之间经济圈和产业链。

2）美国起步早但尚未形成绝对引领地位

NASA在世界上率先启动了月球资源利用预先研究工作和月球资源评估工作，利用火星大气已完成小规模氧气提取试验。针对月球物质资源的利用，月球水冰的开采与氢氧转化、月壤熔融制氧、从月壤中提取氦-3、月壤3D打印等成为预先研究的重点，并在地面上开展了实验室级别的试验。美国虽起步较早，但因航天任务立项和经费制约，相关成果多属于地面验证阶段，暂未形成绝对引领地位。

3）世界各国的月球探测与资源利用计划将展开多维度综合竞争

可以预见，在未来的20~30年，中国的国际月球科研站将与世界各航天大国的月球探测与资源利用计划在同一历史节点、同一场景（月球南极区域），展开比对性竞争。中国的月球科研站需具备理念/模式/体系架构等层面的创新，以实现多快好省的建设投入。在运营模式与内涵产出方面，资源利用水平、新技术试验、月地空间经济/商业活动等，将成为科研站获得经济回报、与其他国家具有比较优势的切入点。基于月球科研站的资源利用体系规划、核心技术攻关和能力建设等成为创新发展和国际引领的关键问题。

4）月球资源利用研发能力建设迫在眉睫

面向月球科研站的资源利用，亟须解决月球资源详查与可利用性评估、月球资源勘查与利用载荷研发能力建设、资源利用发展路线图及体系架构规划等顶层问题。为此，中国在月球科研站立项建设的初期，尽早启动月球资源体系架构规划、基础研究及载荷研发能力建设，引导国内国际同行开展有约束的高效研究，有望实现高起点、高品质集群创新态势，进而实现月球资源利用领域的国际引领性优势。

二、原位资源利用活动分类

2.1 月球资源利用内涵与场景定义

鉴于月球独特的环境与位置条件，以及因月球形成和演化历史所导致的独特物质属性，月球资源利用与地球资源利用的场景条件和内涵具有重大差异。在单点单次模式下的月球探测时代，月面的低重力、高真空、大温差、强辐照等环境条件，一般被视为恶劣而苛刻的不利条件。但在月面资源利用时代，上述条件也许应该被主动利用，如“真空冶炼”等作为有利条件加以强化运用。此外，也不可将月球上固有的“物质”泛泛地视作“资源”，应该充分考虑运载能力、可达能力等工程约束，基于“主观需要，客观可用”的原则予以实施。为此，在开展月球资源利用顶层规划和具体实施过程中，需首先对月球资源利用的场景和内涵进行合理定义。

（1）广义月球资源。广义月球资源有位置、环境、物质三大类别。位置资源，涉及日-地-月位置、科研站落区所决定的月球区域位置、探测器所在的地理位置等内涵，特指因独特的空间位置优势所具有的资源化转化潜能，如太阳能、通信和空间观测等。环境资源，涉及探测器在月轨、月面环境中所处的环境条件，如微/低重力场、高真空、大温差、强辐照、微陨石撞击、太阳风辐照和剖面恒温层等环境条件。在广义资源利用模式和实施工艺中，应主动将上述环境条件作为有利条件加以“化危为机”式正向运用。物质资源，特指在月面上赋存的月壤、月岩等物质形态资源，从高价值利用的角度，一般重点指向月球水冰、钛铁矿和氦-3等战略性物质资源。

（2）资源利用场景。面向未来的月球资源利用活动发展预期，资源利用活动场景可分为月面资源采集、月面资源利用、月轨资源利用三类场景。月面资源采集，是资源利用的前置动作。本文所指的资源采集活动，默认为全部发生在月球表面。月面资源利用，依托着陆于月球表面的智能装备，通过无人自主或人机联合方式，在月面上实施的资源采集、物质/能量的转化、物质/能量的二次利用等行为。月轨资源利用，特指在环月轨道飞行的轨道舱/月轨空间站上发生的能量采集、物质转化与利用等行为。

（3）原位资源。特指赋存于科研站、探测器可达范围内的位置/环境/物质资源。

（4）原位利用。特指在科研站、探测器月面可达范围内的资源采集和资源转化利用行为。倡导尽量少带或不带地球辅料物质，全部利用月球物质资源的资源利用模式。

（5）离位利用。特指将物质载体从采集地转移至其他场地的资源利用形式，如从月面某个科研站长距离转移至另一科研站、从月面转移至月轨、从月面或月轨转移至地球等资源利用模式。

（6）月基制造。以金属或非金属材料为主要原料，在月面月球轨道上利用增材、减材和等材等制造手段，通过特定装备将特种物资材料转化为功能零部件或特需装置等制造活动的总称。

（7）月基建造。以月壤或月岩为主要原料，利用3D打印、夯实、摊铺和砌筑等多种施工途径，在月球表面或地下构建基础设施和庇护所等建造活动的总称。

2.2 高价值原位利用活动分类

采用“需求牵引，目标导向，效率与效益兼顾”的分类原则，面向高收益资源活动开展并支撑科研站可持续构建等目标需求，可将月球资源利用活动划分为能源获取与利用、矿物开采与转化、月基建造与运维三大类。其中，能源获取与利用是月球资源利用的前提和保障，主要目标是合理应用月面上的太阳能和月壤剖面的温差能；矿物开采与转化是月面资源利用的主要物质对象，核心目标是利用好月壤水冰、钛铁矿两大类物质资源；月基建造与运维是资源利用亮点活动模式载体，机器人自主作业和人机协同作业是主要技术支撑。

依据国内外月球资源利用现状及发展趋势，特别是以支撑近-中-远期月球科研站的可持续高效构建与高收益运营为目标，规划了三大类原位资源利用活动的利用模式、利用方法和用途，可为国内各专业团队开展有针对性研究提供参考。详见表1。

表1　典型原位资源利用活动分类

Table 1　Classification of typical lunar resource utilization activities

三、关键科学和技术问题

3.1 科学问题

面向未来在月面上规模化开采和利用各类典型月球矿物资源的战略需求，需首先解决月壤物质在月球原位环境条件下的环境演化和物质迁移的一系列科学问题。

1）月球物质形成及演化规律

研究太阳风质子、宇宙射线、流星体撞击及地质活动等内外驱动力下月壤物质组成及物理性质改造的过程，探究钛铁矿、氦-3等资源形成机理及内在条件，探究岩浆洋活动、小行星或彗星撞击等过程对月球水冰生成和演化的影响，完善永久阴影区极端低温条件下水分子吸附机理，由此构建月球资源综合利用格局和体系，为资源赋存和分布特征提供依据。

2）资源物质分离机理及影响因素

探究月面极低温、高真空和强辐射等环境因素及月壤的热力特性、电磁特性、颗粒形态等物理因素综合作用下资源沉积、挥发、迁移和衍化等机理，从物质伴生和相悖等多维度促进或阻碍资源物质分离和集成，由此开发月球资源分离、提取、提纯和存储等技术，形成月球资源应用技术体系。

3）月球资源赋存及分布规律

基于月球物质形成及演化规律和遥感技术等科技革新，开展月面环境下钛铁矿、氦-3、水冰等资源的储存量、赋存特征和分布规律研究，从而推演月球优质资源的富集区域，为未来资源开采和利用提供基础依据，为揭示月球起源和演化这一关键科学问题提供重要支撑作用。

4）月尘黏附特性及防护问题

基于月尘粒径分布及物质组成（尤其是表层含有的纳米级金属铁颗粒）分析月面环境下月尘的力、热、光、电和磁等物理特性，由此综合研究月球真空辐射环境下月尘的漂浮、流动及黏附等气固两态特征并开发月面有效除尘技术，减少探测活动过程中月尘对月面设备及航天员的损害。

3.2 技术问题

面向月球科研站模式下的规模化资源利用活动，因地-月环境条件差异、月壤物质特性、运载能力制约和资源利用效费比等制约，月基资源利用活动与地面矿冶工程具有重大差异，需高度关注并解决如下技术问题。

1）月球矿产资源精准勘查技术

在科研站模式下开展的资源利用活动，可参考遥感数据，但更需要月基装备搭载的近景详查载荷和矿物勘查与甄选载荷。为此，亟须突破月面矿物资源高精度分布式详查、月壤剖面资源纵深分布详查等关键技术。

2）月球矿物资源高效开采技术

在月面资源开采过程中，必定要引入矿物品位、主观利用匹配度、开采效费比和物料载运可达性等指标。为此，亟须突破高分辨率矿物辨识与预判、月基典型矿物开采方法与技术（水冰、钛铁矿等）和矿物分选方法与技术（力、磁、电等）等关键技术。

3）月基矿冶工艺技术

常规的月球探测习惯于将月球的低重力、高真空、大温差等环境条件作为恶劣而苛刻的条件对待。在科研站模式下的月壤/月壤水冰冶炼和转化过程中，一方面要合理而巧妙地利用好上述条件；另一方面不能简单移植地面上的冶炼和转化工艺。为此，亟须突破月壤基原位冶炼物质分离与分馏机理、月基冶炼工程热物理、状态监测与智能调控、月基冶炼装备设计规范与方法和月基冶炼效费比评价体系等关键技术。

4）月基原位制造技术

在月面开展金属和非金属材料的制造，同样会涉及减材、增材和等材3类制造工艺，但受制于运载能力、月基热环境等因素，不能简单照搬地面常规制造方法和工艺。为此，亟须开展月基制造功能型谱规划、地-月制造场景及条件差异机理与应对策略、月基高效率高效益制造方法与技术、月基制造安全与环保应对措施和小型化可拓展月基制造体系研究等关键技术。

5）月基原位建造技术

面向以月壤剖面结构为支撑体，以月壤为主要原料的月基建造活动场景，应充分引入月面环境条件、月壤原料特性和月基装备作业能力等新制约，相关工艺和建造能力与地面建造具有重要差异。为此，亟须突破月基建造功能型谱规划、月基建造物需求分析、地-月建造场景及条件差异机理与应对策略、月基高效率高效益建造方法与技术，以及月基建造安全与环保应对措施等关键技术。

6）地面拟实验证与定标技术

截至目前，中国已初步具备月球采样探测所需的试验验证条件，但无法支撑月球资源利用勘查载荷、资源利用载荷研发需求。为此，亟须突破资源赋存等效型模拟月壤制备、月球矿物综合物性近景详查载荷研发平台构建、资源开采-分选-转化载荷研发平台构建，以及资源利用过程多物理场无损观测与效能评估等关键技术。

四、月球资源利用发展展望

面向国际月球科研站（International Lunar Research Station, ILRS）历史背景和工程需求，月球资源利用的实际效果是月球科研站建设水平、运营效能，以及是否具有可持续发展潜力的重要影响因素。本着边建边用、效率与效益兼顾的原则，中国的月球资源利用活动可规划为“近-中-远”3个历史阶段。

近期发展目标：在2020—2035年，形成中国版月球资源利用战略发展规划，开展先期技术攻关和地面支撑条件建设；完成月壤成型、水冰开采及氢氧转化、月壤制氧等原位资源利用月基验证。详见表2。

表2　月球资源利用近期发展目标构想（A阶段：2020—2035年）

Table 2　Concept of short-term development goals for lunar resource utilization （Phase A：2020-2035）

中期发展目标：在2035—2045年，开展月基制氧、水/氢/氧/挥发分提取与转化、矿物资源采集与利用、金属基零部件生产和月基建筑物建造等工程应用试验和广域资源勘查活动，使月基资源利用技术和工艺得到全面验证，奠定规模化应用基础。详见表3。

表3　月球资源利用中期发展目标（B阶段：2035—2045年）

Table 3　Concept of middle-term development goals for lunar resource utilization （Phase B：2035-2045）

远期发展目标：在2045年后，中国的月球资源利用实现国际引领。构建形成“1主站+X分站”分布式科研站布局，在能源获取与利用、矿物开采与转化、月基建造与运维三大领域开展规模化应用，部分月基资源利用活动取得显著经济回报。月球成为深空探测的前哨站，启动实施火星科研站建设及火星资源利用拓展。详见表4。

表4　月球资源利用远期发展目标（C阶段：2045年及以后）

Table 4　Concept of long-term development goals for lunar resource utilization （Phase C：2045 and beyond）

五、对策建议

1）充分利用月球科研站这一载体，在资源利用方面发挥创新引领作用

月球科研站的建设为资源利用技术验证、载荷研制和任务实施提供极佳的场景和载体，资源利用又为月球科研站的发展提供了方向牵引，两者是互相促进、相辅相成的关系。应利用好月球科研站这一以聚集为特点的科研平台，通过数次任务机会进行快速技术迭代，迅速奠定规模化应用的基础，实现资源利用的引领性发展。

2）加强中国月球资源利用的顶层规划和统筹协调

为指导中国月球原位资源利用的中长期发展，汇聚各部门、各方面资源形成合力，亟须组织全国相关领域优势科研力量，结合月球科研站发展规划乃至规模化资源利用应用设施的发展展望，通过广泛调查、研究、讨论，凝聚形成目标清晰、节奏合理、重点明确的发展规划，提出对应各阶段的战略目标和引领性发展指标，对应能源获取与利用、矿物开采与转化、月基建造与运维等各细分方向的研发路径布局、载荷任务安排和基础条件建设。

3）体系化布局开展月球资源利用核心技术攻关

面向月球科研站建设和可持续发展需求，高起点、体系化布局开展月球矿产资源精准勘查、月球矿物资源高效开采、月基矿冶工艺、月基原位制造、月基原位建造、地面拟实验证与定标等关键技术攻关工作，为中国科研站创新和可持续发展提供坚实的技术支撑。

4）加快统筹建设资源利用基础科研设施群

面向月球资源利用创新发展和国际引领需求，本着“条件先行”的原则，通过国内/国际目标共商、体系共建、成果共享的方式，汇聚中央和地方财政投资、民营资本投资等多种投资渠道，在全国构建布局合理的资源利用基础科研设施群，为国际月球科研站工程实施、科学研究和国际合作提供坚实的条件支撑。

六、结束语

纵观人类探月历史进程与发展态势，人类探月的核心目标已从“认识月球”逐渐转变为“认识与利用并重”，月球科研站或月球基地建设成为历史必然。在未来的月球科研站建设阶段，将从“单次单点”转变为“多次集群”、从“地球依赖型”逐渐转变为“就地取材、自我拓展”，将从“政府主导”逐渐过渡到“国际化多元投入”模式。面向未来的月球科研站可持续构建与高效益运营，月球资源利用成为牵动性要点。从基础条件和研发能力角度来看，中国已具备构建月球科研站的能力，充分发挥新型举国体制优势，提早开展布局，将有望在月球资源利用层面实现创新发展和国际引领。

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