火星资源赋存状况及其原位利用技术研究进展与展望

太空资源的勘探及利用是深空探测的重要目的之一。火星是人类最容易到达和资源利用最为迫切的行星,对火星资源进行勘查和原位利用是未来火星载人探测及基地建设需要解决的重要问题。本文对火星大气资源、水资源、土壤与岩石矿物资源、风能与太阳能资源等可利用资源的类型及赋存状况进行了分析,制作了火星资源的全球分布图,并从资源分布的角度提出了未来火星资源探测及火星基地建设的首选区域。同时,本文也总结了火星原位资源利用技术的研究进展及问题,认为未来需要从以下几个方面开展进一步研究:加强火星资源的针对性勘查与评估;开发新的资源利用模式与技术;建立资源利用成本的综合评估模型;完善资源开发与利用相关的法律法规。

月球原位资源利用及关键科学与技术问题

月球探测已成为21世纪各航天国家深空探测竞相追逐的首要目标,在月球上建设短期有人值守,长期无人智慧运行的月球科研站或者月球基地已成为人类共同的愿景。同时,把认识月球和利用月球作为同等重要的科学目标,是新时代月球探测最为显著的特点。月球原位资源利用既是新时代月球探测的科学目标,也是保障月球基地建设和运行顺利进行的重要途径,越来越受到关注。及早开展月壤、水冰以及太阳能等地外原位资源利用背后的基础科学和技术问题的研究,是我国在新一轮月球探测中抢占先机的必由之路。本文从月球基地建设的愿景出发,开展了月球原位资源利用的需求分析,阐述了月球原位资源利用的必要性和可行性,对月球原位资源利用过程中的关键科学与技术问题进行了梳理。梳理的关键科学和技术问题包括四个方面:(1)月球关键资源勘查规范;(2)月壤综合利用;(3)月面能源高效持续利用;(4)月球资源开发利用过程中的环境危害防护和权益保护。

月球极区水冰资源原位开发利用研究进展

月球极区水冰资源开发利用是支撑基地建设和运行的重要手段之一。基于月球极区水冰资源的最新探测和数据分析结果,研究梳理了月球水冰资源的分布特征和存在形式,介绍了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势,并详细介绍了提出的光热钻取一体化开发利用方案。并进行了地面水冰提取原理试验模型,开展了地面含水沙土的水提取试验。试验结果表明,该装置在含水率5 wt%的土壤中,能够达到30 g/h以上的水提取速率和大约4 kg/h/m3的水提取能力,以期应用于探月四期工程任务中。

月球矿产资源及其原位选矿技术研究进展

月球上赋存有丰富的铁(Fe)、钛(Ti)、铬(Cr)和铝(Al)等矿产资源。目前,原位资源利用(ISRU)是月球矿产资源开发利用的最有效途径,选矿是原位资源利用的关键步骤。然而传统选矿工艺技术不适用于月球低重力、水资源紧缺、极端温度的环境,新的选矿技术亟待研究。从月球表面已探明的有用气体元素、水冰型矿产资源、金属和非金属矿产资源的类型及分布出发,分析了月球重力、表面温度、水资源和灰尘等环境因素对月球选矿技术实施造成的阻碍,总结了低能耗提取、离心筛分、静电分选和磁选等月球选矿技术的模拟研究进展,对未来月球选矿技术发展进行了展望。

可持续性月球水资源提取利用设计与分析

月球极区水冰资源开发利用是月球基地建设和可持续性运行的重要支撑技术之一。在对月球南极永久阴影区的工作地点进行选址的基础上,调研了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势。提出了一种可持续性月球极区含冰月壤水资源提取利用方案,由移动式基地载具、原位钻取机器人和可移动式反射镜组三部分组成,具有灵活布置以持续性开采阴影坑内水冰资源的能力。对所设计方案的物质流和能量流进行了计算建模,并进行了程序化分析。计算结果表明,通过提升太阳能传递效率、光电转换效率、热提取加热效率和水电解效率,初始水冰质量含量高于5.0%,可以显著减少系统任务的总能耗。方案设计与分析结果可为中国月球基地任务提供参考。

月面原位资源补给站概念方案设计

针对载人登月、月球基地建设及月球科学研究等重大工程任务需求,利用原位资源利用技术,构建具备一定物资和能源供给能力的月面资源补给站,通过突破月面原位水冰光热提取、月面原位制氧、月面原位储能发电和月面原位建造等关键技术,以实现航天员月面驻留生存和月面活动所必须的居住防护舱建造,水、氧气和燃料等物资,以及光、热、电等能源的原位获取和补给,推动中国月球科考与开发活动,并逐步摆脱依赖地球补给进行月面长期驻留和科考。

月壤原位利用工程技术发展浅析

月壤原位利用技术作为月球资源原位利用技术体系中的重要环节,相关技术的工程化应用是未来实施月球探测及资源开发的重要内容,也是实现自给式月球探测和开发的起点。文章基于国内外月壤原位利用技术的发展现状和趋势,给出了月壤原位利用的工程技术路线。结合近期任务工程化实施的问题和难点,简要梳理了月壤原位制氧和月壤原位成型的技术方案和发展思路,旨在为后续月球资源探测和开发提供借鉴和指导。

火星风力资源的研究现状及利用途径

针对未来载人火星探测和火星基地建设过程中对风力资源利用的需求,回顾了人类对火星大气与风的探测历史,总结了火星风力资源的赋存与分布情况,着重对火星风力资源的利用途径如风力发电、风滚草探测器等进行了综合分析。在此基础上总结了火星风力资源利用中存在的问题,并提出对未来火星风力资源利用的展望:需要加强对火星大气环境与风力条件的探测,为风力资源利用提供基础数据;结合火星环境条件开展风电设备的研究;积极探索新技术在火星风力资源开发中的应用。最后,提出了火星风力资源利用的新思路,需要在火星探测与开发的不同阶段,循序渐进地利用火星资源。

月球氦-3资源的原位开采热释放行为研究

月球氦-3资源的原位利用不仅可以解决深空探测的能源供给问题,而且能够极大地减少深空探测的成本.选取钛铁矿作为月壤的代表矿物,建立了氦-3原子以空位和间隙两种缺陷赋存于钛铁矿中的分子动力学模型,阐述了不同温度下氦-3原子在钛铁矿中的扩散和释放行为.模拟计算结果表明:当氦-3在钛铁矿中扩散时,这些原子倾向于聚集成气泡.根据氦-3释放量随温度的增长率,整个加热释放的过程可以划分为两个阶段.月球氦-3资源原位开采的最优加热温度应在1000K以上,该温度下以不同形式赋存的氦-3均可以大量释放.

增材制造月壤原位成形技术的研究现状

这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。几十年来,太空探索一直是炙手可热的话题,随着嫦娥五号的发射,正式开启了我国首次地外天体采样返回之旅,象征着我国月球基地建设方案正式提上日程。月球探索是人类进行深空探索的第一步,月球原位资源利用对于月球探索具有重大意义。增材制造是进行月球原位资源利用建设月球基地的有效手段。本文阐述了月壤的基本特性以及模拟月壤的特点及组成,重点总结了目前国内外模拟月壤增材制造的研究进展。提出了面向月球风化层(即月壤)的增材制造关键技术的重要挑战。围绕我国月球基地建设工程,讨论了增材制造技术的发展前景与可能的实施途径。

月球资源勘测与原位利用进展及关键挑战

月面建造是人类探测、利用、开发月球的发展方向。围绕月面建造中用什么建、怎么建等关键问题,梳理了月球资源勘测与原位利用方向的研究进展。首先总结了面向月面原位资源利用的主要支撑技术,包括月壤特性分析、模拟月壤制备、月壤原位成型等关键技术;其次,介绍了月球基地智能建造进展,包括月面建筑方案的构想发展历程、原位建造技术对比、月球基地建造环境分析等;最后,总结了月球资源原位利用及月球基地建造在资源勘测、建造科学选址、月基承载安全、原位熔融成型、太空建造方案等方面的关键科学挑战。

利用原位资源的月球蓄热系统动态性能评估

本文建立了结合集热器的蓄热系统动态数学模型,分析了影响蓄热效果的设计参数,通过多目标优化得出了最佳设计参数。结果表明:长度对集热器系统的影响最大。1 m宽的集热器可以收集整个月昼的热量,但2 m宽的集热器只能运行6.4天,可以通过改变集热器宽度来调节蓄热时间。原位资源利用率和蓄热完成率分别达到75.7%和94.2%。

含冰星壤钻取密封与水资源提取转化技术研究

在未来深空探测中,水冰资源的获取与转化是地外天体原位资源利用的重要环节。面向地外天体水冰资源原位利用问题,研究了含冰星壤钻取密封与水资源提取转化一体化技术,以实现水、氧、燃料等基本物资的原位补给,支撑深空探测过程关键技术的发展。首先在地面上构建了典型真空低温环境,研制了含冰星壤钻取密封与水冰光热提取利用一体化原理样机,包含星壤钻取、太阳能聚光加热、水资源冷凝与收集和氢氧光电化学合成装置4部分,并在真空低温环境下开展了原理样机试验。结果表明,该一体化技术能够实现含冰星壤的低功耗钻取,土壤输运速率>1.7 kg/h,功耗<100 W,水资源获取速率达26.6 g/h,氢氧分解的总气体产率达12.6 g/h。该研究验证了地外水冰资源提取技术原理的的可行性,同时为解决地外探索中对水氢氧等物资的生产和转化提供了技术支撑。

地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题,获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本,亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展,发现不同技术之间差异大,在航天应用过程中,需充分考虑地外环境限制因素,以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给,还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展,有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展,将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环,降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求,也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路,以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。

含冰模拟月壤水资源提取实验研究

地外水资源不仅可以确保人类在地外的生存,还能够通过光化学反应分解生成H2为火箭补给燃料,是原位资源利用的关键物质资源。文章首先对地外水资源的探测情况以及提取方法研究现状进行综述,然后基于提出的水资源提取新方法搭建了含冰模拟月壤水提取实验装置,并以CUG-1A模拟月壤为原料开展了初步的实验研究。结果显示:对于初始含冰量10%、初始温度-15℃的含冰模拟月壤,在500 W加热功率下,1 h之后收集到的冷凝水量为15 g。

基于SLM的模拟月壤原位成形技术

激光选区熔化(SLM)技术与原位资源利用(ISRU)概念结合,有望解决地外大规模基地建设的工程难题。利用模拟月壤考察了SLM成形技术用于月球原位资源增材制造的可行性。采用高能束激光为热源,对粉床内模拟月壤颗粒进行逐层照射,使颗粒熔融固结。以激光体积能量密度为综合评价指标,开展SLM工艺参数研究,实现模拟月壤的低能耗、高效率、高几何精度成形。研究结果表明:模拟月壤在激光工作波长吸收率高,热稳定性好,利用较低激光能量可实现模拟月壤SLM成形,成形件几何精度高;激光体积能量密度决定了成形件质量,增加激光体积能量密度可以提高成形件力学性能,但过高的激光体积能量密度使成形件发生严重变形;模拟月壤颗粒形态复杂、粒度分布广、流动性差,通过优化颗粒粒径分布范围,可以有效提高粉体的流动性,从而形成致密且均匀的粉床,避免成形件缺陷的产生。

壤基材料加筋月壤技术在月球基地建设中的应用

月球基地建设是当前各国月球探测与开发计划的核心目标之一,受限于地月运输成本高昂,以月壤作为基材研发各类建筑材料是目前最为经济合理的方案。发展月壤基构件成型技术和纤维制造技术,研发月壤基纤维增强复合材料,有望为月球基地建设提供原材料保证。月壤基纤维可结合3D打印技术制备各种壤工织物,如:壤工格栅、壤工布以及壤工袋等。针对目前所提出的月球基地设计构思,讨论月球基地建设中可能遇到的工程问题,基于加筋原理提出了相应的壤工结构物形式。最后,系统总结了壤基材料加筋月壤技术应用于月球基地建设时需突破的技术挑战和面临的关键科学问题。该文研究对原位利用月球资源、开展月球基地建设具有重要意义。

模拟月壤3D打印致密化成型研究

月壤原位3D打印(增材制造)可实现月球基地的原位建造和关键部件的原位制造,大幅降低月球探测任务的成本和风险。搭建了选择性激光熔融模拟月壤实验系统,开展单轨成型实验,探索激光功率,扫描速度、首层粉末厚度对样品致密化的影响,同时测量了每条轨道的宽度和深度。研究结果表明,单轨宽度随着扫描速度的增高而下降,直至几乎不变。同一激光功率下,单轨深度随着首层粉末厚度增加而变深。单轨深度随着扫描速度的升高,先升高后下降。单条熔道密度可以达到2.5 g/cm^(3),此时相对密度为86%。随着扫描速度增加,不同层厚单轨密度均稳定在1.7 g/cm^(3)。首层粉末厚度越薄时,单轨密度也是略高于其他层厚。这些数据将为原位建造技术提供重要支撑。

深空物质资源利用现状与展望

深空探测是国家综合实力的集中体现,已成为世界航天大国科技竞争的制高点。深空资源利用是国际深空探测的重要前沿方向。其中,深空物质资源的利用对于拓展人类生存空间具有极为深远的意义。介绍了深空资源的基本内涵,概述了深空资源利用的意义;以深空物质资源为研究对象,总结了星球挥发分开采利用、大气资源利用、矿产资源开采冶炼,以及星表原位制造建造等技术的国内外研究进展;展望了深空物质资源利用未来发展趋势,以期为后续研究工作提供参考。

磁性高钛模拟月壤IRSM-1的研制及其性质研究

对月球的探测已进入以月球原位资源利用(ISRU)为主的新阶段,系统掌握月壤特殊的力学响应与工程特性对月球资源开发利用具有重要意义。迄今为止,绝大多数针对月壤及模拟月壤性质的试验研究都是在地球上开展的,忽略了月面环境,尤其是低重力环境对这些性质的影响。地质力学磁力模型试验可以结合磁性相似材料模拟月面g/6的低重力环境。由于目前已有的模拟月壤磁性极弱,无法满足磁力模型试验的要求。因此,研制了一种具有一定磁性的高钛模拟月壤IRSM-1并测试了该模拟月壤的成分及性质。将测试结果与部分月壤及模拟月壤的性质进行了对比分析。结果表明:IRSM-1模拟月壤的化学矿物成分与高钛月壤相似,其物理力学特性在月壤的范围之内,较好地还原了真实月壤的基本特性。此外,IRSM-1还具有一定的磁性,可以作为磁力模型试验的相似材料。