来自月球的礼物——嫦娥石

背景介绍

自古以来，中国人就对月球寄托着无限遐想与美好期盼，从远古的“嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药”等浪漫神话故事，到历朝历代的才子佳人吟诗作赋的歌颂意象，明月自古以来就寄托着“梦想、相思、美好”等特殊意义。直到2007年中国的第一颗探月卫星“嫦娥一号”发射[1]，中国人才真正开始揭开月球的面纱。2022年，正值中秋佳节前夕，嫦娥五号传来佳报，中国科学家发现了月球上的新矿物：嫦娥石[2]。该矿物是人类发现的第六种月球上的矿物，我国也成为在月球上发现新矿物的第三个国家，这标志着我国的月球探测工程取得了阶段性的发展。

目前，我国已经具备了进行月球探测的技术能力，分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点是首期工程的重要的科学目标之一[3]。由于月球表面直接暴露于严酷的太空环境之中，导致其绝大部分都被一层细粉状的风化物质即月壤所覆盖[4]。图1为来自于嫦娥一号图像数据的全月球影像制图，随着光谱和遥感等技术的发展以及对采集月壤样品的分析，月球表面的资源分布已经被人们熟知。目前，对月球的定位已经从“认知”走向“利用”。随着人类开始走出地球，月球矿产资源的认识与开发利用是人类走向太空的必经之路。接下来，就让我们一起来了解一下月球，这个给我们全地球人类的的礼物吧。

图1 全月面DEM模型.[1]

正文内容

“嫦娥石”发现于嫦娥五号所携带的月壤样品的玄武岩碎屑中，是一种新的磷酸盐矿物，属于陨磷钠镁钙石族[3]，伴生矿物有铁橄榄石、单斜辉石、钛铁矿、钙长石、方石英、陨硫铁和玻璃。事实上，“嫦娥石”在所发现的月球玄武岩碎片中含量极少，这给科研工作带来了极大的挑战。这是因为月球玄武岩的主要矿物是钛铁矿，伴生铬铁矿，主要利用元素为Ti – Fe。而月球上的主要磷酸盐型矿物主要赋存于克里普岩中，w（P2O5）平均为0.7 %左右，其伴生为钾长石，主要利用元素为P-K，共生REE（稀土）-Th（钍）-U（铀）。如图2所示，月球蕴藏着巨量的资源，其主要赋存于玄武岩、斜长岩、克里普岩和月壤中，其中TiO2总资源量超过70万亿吨，钍资源量为8.4亿吨，其中氦-3的资源量大于100万吨。当人类准备在月球建设基地时，人们就不得不面对三个问题：人类生存的必需品（水、氧气与食物）、基底的建设与能源的供给。从目前的月球资源来看，通过对月球资源的有效原地利用会成为解决方案之一。

图2 1:250万比例的月球全球地质图的缩略图.[6]

水和氧气是人类生存的必需“消耗品”，而水则可以通过电解的方式生产氢气和氧气，前者可以用于金属冶炼，后者则可以用于供给月球基地的氧气，实现人造大气圈。在月球表面没有液态水的存在，然而根据月球勘探者号的探测结果来看（图3），月球的北极含水冰区域为10000-5000 km-2，南极为5000-20000 km-2，可以估算出月球极区水冰含量为66-200亿吨[7]。因此，在未来月球基地的建设中，离不开对月球上水冰资源的利用。

图3 月球极区水冰物质含量分布图(左：北极，右：南极).[8]

月球中的矿物主要以氧化物为主，可以通过熔盐电解和高温分解等方式生产氧气和金属。东北大学石忠宁团队提出铝热还原-惰性阳极熔盐电解法[9]，在氟化物熔盐中溶解月壤和金属铝，并用惰性阳极电解从月壤中提取到金属和制备氧气。.通过处理明尼苏达大学月壤仿真样MLS-1和东北大学月壤仿真样NEU-1,获得Al-Si-Ti-Fe合金、金属铝和氧气。因此，氧气的有效供给还依赖于进一步的科学研究。

图4为对来自不同月球采样区月壤样品的成分分析，表一为地球上的代表性大宗金属的月球资源的种类及赋存情况。月海区域Fe质量分数较高(14%～17%)，其大部分赋存于硅酸盐矿物(即辉石和橄榄石)和钛铁矿中。月壤中的天然Fe至少具有3种来源：陨铁、从分解的基岩来源释放的Fe以及通过太阳风还原月壤中的FeO而产生的Fe。Ti是在航空航天应用中的主要金属，在月海附近的高钛月海玄武岩中的质量分数很高(5%～8%)，它几乎完全存在于钛铁矿中。Al是重要的基建以及功能材料金属，其质量分数在月球高地岩石中为10%～18%，通过分解月球高地的长石可以得到Al。作为基础性的合金材料和建筑材料，大宗金属资源的原位利用在可以预见的月球基地建设中会起到重要的作用。

图4 来自月球不同采样区域月壤的成分平均质量百分比.[4]

表一 月球大宗金属可利用资源种类.[8]

月球土壤内富含克里普岩,主要分布在月陆中,其蕴藏着磷、钾和稀土元素外,还蕴藏着月球核能利用中的重要资源-放射性元素铀和钍[10]。事实上，月球上的大部分稀土金属丰度不及地球上的丰度高，不具备开采利用的经济性，然而放射性元素钍的含量却相当可观。如图5所示，由克莱门汀号和月球勘探者号月球资源探测结果分析可知,克里普岩中钍资源量为8.4亿吨。或许在未来的月球基地里，空间钍基熔盐堆发电技术会成为能源供给的解决方案之一。

图5 月球勘探者号遥感获得的月球表面钍分布.[11]

月球上赋存的气体元素资源主要有氢、氧、碳和氦。相比于氢和氧这些常见的气体元素，氦气似乎存在感很低。然而，月球上的氦气资源相当丰富，且被认为是核聚变原料的3He的资源量高达100-500万吨，而地球上的天然气中可提取的3He是相当少的，仅有15-20 吨。根据目前各国正在研究的“氦-3”同位素的热核反应堆(D + 3He → p + 4He)来说，每吨3He可以发电1000亿kW·h。以目前的能源消耗水平，月球上的3He可以满足人类1万年以上的供电需求[12]。因此，开发和利用月球的气体资源，尤其是氦气资源对人类未来的发展是具有深远意义的。

结束语

今人不见古时月，今月曾经照古人。在未来的未来，或许地球上的人类会脱离能源桎梏，探索的脚印从地球走向太空。在刘慈欣的《三体》世界里，这群飞上太空的人被称之为“太空军”。也许他们已经掌握着我们闻所未闻、见所未见的科学技术，然而不知道他们是否还知道“嫦娥石”的浪漫故事，是否还会传唱李白的“举头望明月，低头思故乡”，苏轼的“明月几时有，把酒问青天”。地球，是我们的伟大母亲，是我们成长的摇篮。月球，是我们的友好邻居，更是我们踏向太空的第一步。宇宙之大，征途漫漫，抬头尽是星辰大海。