月球的資源 如何利用

【專家解說】：月球有豐富的礦藏，據(jù)介紹，月球上稀有金屬的儲藏量比地球還多。月球上的巖石主要有三種類型，第一種是富含鐵、鈦的月海玄武巖；第二種是斜長巖，富含鉀、稀土和磷等，主要分布在月球高地；第三種主要是由0．1～1毫米的巖屑顆粒組成的角礫巖。月球巖石中含有地球中全部元素和60種左右的礦物，其中6種礦物是地球沒有的。 科學(xué)家指出，要開發(fā)月球必須對月球進行全面的探測，了解月球的資源，并逐步對資源進行開發(fā)。月球的礦產(chǎn)資源極為豐富，地球上最常見的17種元素，在月球上比比皆是。以鐵為例，僅月面表層5厘米厚的沙土就含有上億噸鐵，而整個月球表面平均有10米厚的沙土。月球表層的鐵不僅異常豐富，而且便于開采和冶煉。據(jù)悉，月球上的鐵主要是氧化鐵，只要把氧和鐵分開就行；此外，科學(xué)家已研究出利用月球土壤和巖石制造水泥和玻璃的辦法。在月球表層，鋁的含量也十分豐富。 月球土壤中還含有豐富的氦3，利用氘和氦3進行的氦聚變可作為核電站的能源，這種聚變不產(chǎn)生中子，安全無污染，是容易控制的核聚變，不僅可用于地面核電站，而且特別適合宇宙航行。據(jù)悉，月球土壤中氦3的含量估計為715000噸。從月球土壤中每提取一噸氦3，可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。從目前的分析看，由于月球的氦3蘊藏量大，對于未來能源比較緊缺的地球來說，無疑是雪中送炭。許多航天大國已將獲取氦3作為開發(fā)月球的重要目標(biāo)之一。 1998年3月5日，美國航天局向全球發(fā)布了一條特大新聞：“月球勘探者”號探測器發(fā) 現(xiàn)月球兩極存在大量液態(tài)水，其儲量約為0．1億噸-3億噸，它們分布在月球北極近5萬平 方公里和南極近2萬平方公里的范圍內(nèi)。如果月球隕石坑底部土壤水層非常深厚，那么月 球上的水資源儲量最終有可能達(dá)到13億噸。 月球上的水資源首次被證實，這一振奮人心的消息使科學(xué)家欣喜若狂，在全世界亦產(chǎn) 生強烈反響，因為這一發(fā)現(xiàn)對于人類在下個世紀(jì)建立永久性月球基地具有里程碑式的重大 意義。 科學(xué)家們認(rèn)為，月球上存在的水資源可能是人類在太陽系中擁有的最寶貴的“不動產(chǎn)”。 即使月球水的儲量只有3300萬噸，也足以保證2000人在月球上生活100多年，而且從月球 的土壤中提取水是一個“簡單”的過程，將混有冰的泥土收集起來加熱，使冰融化后便可 得到水。據(jù)估計，現(xiàn)在找到的這些冰水可以填滿一個深11米，面積10平方公里的湖泊。月 球水是生命之源，它不僅能供給宇航員飲用和生活之用，使他們在月球上的持續(xù)停留時間 更長，還可以在太空栽培農(nóng)作物或喂養(yǎng)動物；水又是一種動力源，可以分解為氫和氧，為 行星探測飛船提供燃料，大大延長飛船的使用壽命，有了水，科學(xué)家可以方便地開發(fā)月球 上的各種自然資源，還可以把月球當(dāng)作探測宇宙空間的前哨基地；水對于研究月球的成因 和性質(zhì)也有相當(dāng)重要的意義。 當(dāng)然，開發(fā)月球上的水資源并非易事，因為月球上的冰塊并非集中在某一個冰凍層， 大量的冰同巖石，塵土混雜在一起，估計其含量僅占0．3%—1%。此外，由于月球隕石坑 一直不見天日，坑內(nèi)混度太代，需要能在月球兩極-230℃起低溫下工作的機器，但制造這 樣的機器極為困難。 盡管如此，既然月球有水，那么人類重返月球，建立月球基地，開發(fā)月球資源的日子 將成為21世紀(jì)科技的目標(biāo)。此外，月球水資源的開發(fā)和利用也將使太空旅游由理想變成現(xiàn) 實。 人類在月面上進行科學(xué)探測與研究活動，開發(fā)利用月球資源，建立永久性月球基地是十分必要的。至于月球基地建設(shè)和月面活動方案，已有很多建議，由于目的不同及建議者不同，因而各種提案有著很大的差別。但只要我們從總體的構(gòu)思上對這些提案進行剖析，都離不開下列幾個發(fā)展階段。 ①基地建設(shè)準(zhǔn)備階段：對地形及資源的調(diào)查； ②建設(shè)前哨基地：在月面臨時居住，向下一階段過渡的準(zhǔn)備作業(yè)； ③建立月球生產(chǎn)基地：月面上長住，生產(chǎn)活動開始； ④發(fā)展中的月球基地：生產(chǎn)活動進入正?；A段； ⑤成熟的月球基地（即永久性月球基地）：建立各種產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟獨立化。 月球前哨基地的建設(shè)，意味著人類已跨入月球基地建設(shè)的第二階段。應(yīng)該說，這時的人類開發(fā)月球活動，還僅僅是一個開端。年輕的科學(xué)家們將奔赴月球前哨基地，到第一線去參加實際考察，希望能夠掌握更多的第一手資料，為開發(fā)月球、建設(shè)月球獻出美好的青春。年富力強的實業(yè)家們，被月球上豐富的資源所吸引，他們將開辟新的戰(zhàn)場，到月球上去開礦、建廠、創(chuàng)業(yè)，加快月球資源利用的步伐，在月球上大展宏圖。 這里必須強調(diào)的是，當(dāng)大批人馬進入月球基地，轉(zhuǎn)入月球生產(chǎn)基地建設(shè)階段時，需要解決的問題比前哨基地建設(shè)復(fù)雜得多、困難得多。這是因為人員增多，需要就地建設(shè)住宅，再依靠著陸器上航天員住宅遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。而月面是真空的，表面溫度從-170℃至+130℃之間發(fā)生變化，溫差極大。此外，還需經(jīng)受宇宙射線和微小隕石騷擾等危險環(huán)境的考驗。為了使航天員能長期生活在這樣嚴(yán)峻的自然環(huán)境中，基地的各種建筑物的結(jié)構(gòu)必需具有高度的氣密性、絕熱性、抗輻射性等?？茖W(xué)家們?yōu)榇艘压串嫵鲈虑蛏a(chǎn)基地的基本輪廓，提出了月球上工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研的布局，供給設(shè)計師們作為建筑設(shè)計的依據(jù)。 根據(jù)月巖樣品及大量有關(guān)資料的研究與分析，確定了月球優(yōu)先生產(chǎn)的產(chǎn)品原則，主要是充分利用月球資源，為擴建月球基地而生產(chǎn)所必須的原材料，重點放在制氧、金屬冶煉、建筑材料的制備等。為了實現(xiàn)這一目的，人們已對月球上的加工廠的生產(chǎn)工藝流程及制備方法進行了多方面的詳細(xì)研究。 科學(xué)家很早就開展月球表土提取氧的方法研究，他們利用阿波羅飛船取回的月球沙土進行實驗，在1000℃的高溫下，將月沙中的鈦鐵礦和氫接觸生成水，再將水通過電解提取氧。研究表明，提取1噸氧，約需70噸的月球表土?？紤]到在月球上生產(chǎn)的特殊情況，建議在月球基地建設(shè)的同時，應(yīng)考慮配備一套小型的化學(xué)處理設(shè)備，利用太陽能作動力，每天大約可制備出100千克的液氧。具體工藝流程是，利用月球巖石在高溫下與甲烷發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化碳和氫。在溫度較低的第二個反應(yīng)器中，一氧化碳再與更多的氫發(fā)生反應(yīng)，還原成甲烷和水。然后使水冷凝，再電解成氫和氧，把氧儲存起來供使用，而氫則送入系統(tǒng)中再循環(huán)使用。據(jù)預(yù)測，月球制氧設(shè)備，最初是為給月面上航天員提供氧氣之用，但他們需要的氧氣并不多，一個12人規(guī)模的基地，每月也只需要350千克氧氣。而一套制氧設(shè)備連續(xù)工作后，可生產(chǎn)出相當(dāng)數(shù)量的氧氣，因此，在月球基地建設(shè)時，應(yīng)同時建造一個永久性的液氧庫，以便供給航天器作為低溫推進劑燃料使用。 十分有意義的是，在制氧過程中經(jīng)過化學(xué)處理后得到的“礦渣”，卻成了上等的副產(chǎn)品。這是因為它含有豐富的游離態(tài)硅和可供冶煉的金屬氧化物，只要采用適當(dāng)?shù)墓I(yè)方法便可繼續(xù)冶煉，煉制出工業(yè)上極有使用價值的金屬鈦?？茖W(xué)家們提出的制鈦工藝流程是，將“礦渣”通過機械粉碎、磁選，提取出鐵鈦氧化物，在1273℃高溫下加氫處理，生成氧化鈦，再以硫酸置換出其中的鐵，接著和碳混合，在700℃的溫度下通入氯氣，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后生成四氯化鈦，然后在2000℃高溫下加熱，投入鎂以便脫出氯，最終得到熔融態(tài)的鈦。 鋁的精制方法更為新穎，月面上的鋁是由稱之為斜長石的復(fù)雜結(jié)構(gòu)所組成，倘若用常規(guī)精煉方法制鋁，在月面上很難獲得成功。科學(xué)家們經(jīng)過反復(fù)試驗與研究，提出了一套煉鋁的新的工藝。具體做法是，將月巖粉碎，在1700℃下加熱熔化，然后在水中冷卻至100℃制成多質(zhì)的球，再經(jīng)粉碎，在其中加入100℃的硫酸，即可浸出鋁。用離心分離法和過濾法除去硅化物后，再將它在900℃的溫度下進行熱解反應(yīng)，得到氧化鋁和硫酸鈉的混合物。隨后洗去硫酸鈉并進行干燥，再與碳混合加熱的同時，加入氯氣與之進行反應(yīng)，生成了氯化鋁，經(jīng)電解，獲得最終產(chǎn)品——純鋁。 建筑業(yè)離不開玻璃，因此在月面上生產(chǎn)玻璃顯得尤為重要。通常的玻璃是由71～73％的氧化硅，12～14％的碳酸鈉，12～14％的氧化鈣組成。月球土壤中含有40～50％的氧化硅，在月面上制造玻璃是以硅玻璃為主。其精制方法較為簡單，即在月球土壤中根據(jù)需要加入各種微量添加物，用硫酸溶解出一些無用的成分之后，在1500～1700℃下熔化，然后經(jīng)壓延冷卻，即可制成月球玻璃。 隨著月球資源開發(fā)取得相當(dāng)驚人的成果，試生產(chǎn)階段已告一段落，小型試生產(chǎn)的產(chǎn)品已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，需要進一步擴大再生產(chǎn)，使月球生產(chǎn)活動逐步走向批量化生產(chǎn)。與此同時，由于進入月球參加開發(fā)的人員增多，所建月球基地已顯得擁擠不堪，需要完成改建、擴建基地工程，這無疑需要大量的建筑材料，尤以對混凝土的用量為最大。值得慶幸的是，制造混凝土所需的沙土、石子、水泥，都可以就地取材。混凝土結(jié)構(gòu)具有成本低、易于成型、抗輻照等優(yōu)點，是建設(shè)月球基地最有希望的建筑材料。新型月球基地，可根據(jù)設(shè)計采用混凝土預(yù)制的艙體來建造。當(dāng)然，被采用的月球混凝土構(gòu)件的形式是很多的，這里介紹一種通用艙段為六棱柱形的，先用混凝土制成框架和壁板，然后裝配成形。這種形式的艙體的最大優(yōu)點是非常靈活，由于它是六角形體，通過各個面既可向平行方向輻射擴展，亦可向垂直方向（向上）擴展，墻壁、天花板、地板，隨時都可拆卸，也可根據(jù)需要再組合拼接，擴建基地，調(diào)整空間。最后將套在它里面的圓筒式的增壓艙體連接起來，便構(gòu)成了一個組裝式的月球基地。 人們到月球上建設(shè)基地，除了開發(fā)資源發(fā)展生產(chǎn)外，最終目標(biāo)還是想把月球擴建成移民區(qū)，讓更多的人到月球上觀光、游覽，或者帶著全家老小移居到月球上，做一名月球人。這樣一來，其建設(shè)規(guī)模更加龐大，需要的建筑材料更多，并要求尋找一種更為簡便的施工方法。一些科學(xué)家提出，在南極洲應(yīng)用的一種稱為“挖掘—裝填”的建造技術(shù)，也完全適用于月球。推土機將在月球表面的松軟巖層或“浮土”中挖出一條壕溝，再把一節(jié)節(jié)的圓筒式增壓艙裝入溝中，連接緊固后，在它上面覆蓋很厚的一層月球巖土，即可耐熱、絕熱、保溫，又可防止輻照?？茖W(xué)家們已設(shè)計出一個月面研究實驗基地，主要任務(wù)是進行月面上的天文觀測、地貌地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查等。其設(shè)計規(guī)?？扇菁{60名航天員，能提供居住6個月以上的能源及生活必需品。 月面研究實驗基地，以球形艙和圓筒形艙構(gòu)成環(huán)狀體，分為工作區(qū)和生活區(qū)兩大部分。工作區(qū)由研究實驗艙、工業(yè)生產(chǎn)艙、農(nóng)作物種植艙、生態(tài)環(huán)境生命保障艙、管理艙、能源艙、物資供給艙、航天港等組成。其中農(nóng)作物種植艙除生產(chǎn)農(nóng)作物外，還飼養(yǎng)雞、羊、兔、魚等動物，培植藻類、蕨類植物，以及水果蔬菜等。生態(tài)環(huán)境生命保障艙內(nèi)配備有氣體凈化處理、水處理、排泄物處理設(shè)施。而能源艙主要是太陽能發(fā)電設(shè)備，在艙外平地上安放了大面積的太陽能電池陣。航天港離研究實驗基地稍遠(yuǎn)一些，它是用來接待和發(fā)射月球飛船的場所。進入生活區(qū)，則是另一番天地，這里環(huán)境優(yōu)美，人生活在里面感到安逸、快樂，能洗去一天的工作疲勞。生活區(qū)內(nèi)有公共場所、住宅以及生活配套設(shè)施。公共場所供航天員之間交流情感、談天說地、互換信息、餐飲、聚會、娛樂等，航天員在柔美的樂曲聲中翩翩起舞，或在影像畫面中開懷暢飲，得到足夠的休息。天花板和墻整體漆成白色，使人感到明快、舒適。個人住宅，為航天員個人睡眠、看書報和娛樂的空間，以藍(lán)色和綠色這些冷色為基調(diào)，使內(nèi)部裝飾得較為柔和，照明布置使空間富有立體感，生活在這樣的環(huán)境里，感到很幽靜，容易入睡。生活配套設(shè)施有健身房、醫(yī)療保健所等。 究竟要建成什么樣的月球基地，這是眾多人關(guān)心的問題。一些能源科學(xué)家建議，月球上蘊藏著大量的硅、鐵、鋁、鈦、鈣、氧等元素，而這些元素地球上的已足夠供人類使用，開采它們還算不上當(dāng)務(wù)之急。只有氦在地球上是絕無僅有的，尤其是氦-3，它是地球上沒有的能源，儲量相當(dāng)豐富，是未來核聚變反應(yīng)堆的理想燃料，因此，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)建立月球能源基地。另一些能源專家則指出，還應(yīng)重點建設(shè)月球太陽能發(fā)電基地。其實二者并不矛盾，這足以說明解決地球未來能源短缺問題已迫在眉睫。 由于月球和地球有著類似的地質(zhì)特征，都蘊藏著豐富的核資源和建設(shè)核電站所需的原材料，因此，很適合在月球上建造核電站。在地球進行核發(fā)電時要使用渦輪和水，而在月球上，通過采用熱離子和溫差發(fā)電機等高效復(fù)合能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，便可直接將核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。設(shè)想中的月球核能源基地，將包括核燃料供應(yīng)廠、核發(fā)電設(shè)施和輸電設(shè)施。月球上的電力，通過高傳輸效率的短波長激光束，也就是紫外線區(qū)的激光，輸送到靜止軌道上的能量中繼衛(wèi)星，在中繼衛(wèi)星上，電能被轉(zhuǎn)換成在空氣中具有高傳輸效率波長的激光，然后再傳送到位于地球上的接收站。由接收站再將能量分配到各個區(qū)去供用戶使用。 月球核能源基地，通常建造在月球的兩極地區(qū)，因為極地是向地球進行能源傳輸?shù)淖罴褕龅?。月球核能源基地一旦建成，轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運行后，將全部由機器人操作控制、維護與修理，絕對不會對人類造成污染威脅。為了建立月球核能源基地，有許多工程技術(shù)問題，有待人們盡快研究解決，例如超高效能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、空間用核反應(yīng)堆、空間機器人、大功率輸出的高效激光生成設(shè)備、接收設(shè)備、激光傳輸?shù)陌踩夹g(shù)等。 正如前面所述，月球上氦-3不僅儲量多，而且是一種潔凈的核能源，這對于凈化地球環(huán)境十分有利，對人類來說頗具吸引力。如果將它從月球上開采出來運至地球，供人類享用，無疑使人類獲益匪淺。據(jù)預(yù)測，從月球的礦石中提取的氦-3，足以滿足整個地球400年能源的需要。經(jīng)測算，建設(shè)一個500兆瓦的氘-氦-3核聚變電站，每年約需50千克的氦-3，也就是說，每年只要在月面上挖一個面積1.5平方千米，深3米的坑。而且它不含放射性物質(zhì)并能產(chǎn)生更多的能量，用氦-3為原料，核反應(yīng)堆成本將降低一半。僅開發(fā)氦-3月球資源這一點，人們就足以理解重返月球的深遠(yuǎn)社會與經(jīng)濟意義了。 總之，月球基地將成為人類生存延伸到地球以外星球的開端，是人類空間的第一移民區(qū)，并且也是人類向太陽系其它行星進軍的中轉(zhuǎn)站。月球基地的建設(shè)是一場新的技術(shù)革命，必將對世界的文化、經(jīng)濟、社會、科技等各個領(lǐng)域產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響。