2023年初熱映的科幻電影《流浪地球Ⅱ》呈現(xiàn)了一個(gè)令人興奮和發(fā)人深省的故事，告訴我們?cè)虑蛱剿鞯闹匾浴ｋ娪爸?，為了拯救地球，人們提出?ldquo;移山計(jì)劃”，即在月球上安裝行星發(fā)動(dòng)機(jī)“放逐”月球，同時(shí)在地球上安裝行星發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)地球停轉(zhuǎn)，并推動(dòng)其離開(kāi)太陽(yáng)系前往新的家園。故事背后的一系列問(wèn)題引人深思：在月球上能用什么來(lái)制造龐大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)？用什么能源維持它的運(yùn)行？地球被視為人類(lèi)生命的搖籃，它的宜居環(huán)境是如何演變形成的，對(duì)人們尋找新家園有何啟示？這些問(wèn)題的解答，需要我們繼續(xù)探索月球，邁向更遙遠(yuǎn)的深空，站在太陽(yáng)系甚至宇宙全局角度不斷探尋。

月球是距離地球最近的天體，蘊(yùn)藏著重要的太陽(yáng)系演化信息和大量潛在可開(kāi)發(fā)利用的資源，一直是備受關(guān)注的重要對(duì)象，也是人類(lèi)離開(kāi)地球邁向深空的前哨站。月球探測(cè)不僅是人類(lèi)探索未知、揭開(kāi)宇宙奧秘的關(guān)鍵一步，也是為地外資源利用、太空開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)的重要環(huán)節(jié)。

月球是一個(gè)重要的信息庫(kù)

月球是一顆古老的天體，在過(guò)去的幾千年里，它一直被認(rèn)為是地球的兄弟，它的歷史和地球有著緊密的聯(lián)系。月球是一個(gè)非常重要的信息庫(kù)，它不僅可以提供有關(guān)行星形成和演化的信息，還保存著地球和太陽(yáng)系演化過(guò)程的歷史記錄。

月球不受大氣、水和生物等復(fù)雜因素的作用，很好地保存了其45億年的形成演化歷史信息，其中隱含的部分演化規(guī)律在太陽(yáng)系天體演化過(guò)程中具有普遍性。因此，月球記錄下的多種特殊地質(zhì)特征，可以幫助我們了解地球以及太陽(yáng)系其他天體的形成過(guò)程和演化歷史。月球表面裸露著的古老巖石，可以幫助我們了解行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及演化過(guò)程，特別是行星形成最初幾百萬(wàn)年的巖漿洋演化和火山活動(dòng)歷史。月球表面被撞擊挖掘暴露出的深層巖石還可以提供有關(guān)深部地殼和地幔組成的信息。月球表面覆蓋著大量月壤，它是一種長(zhǎng)期在隕石或微隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)等高能粒子轟擊以及大幅晝夜溫差交變作用等太空風(fēng)化過(guò)程中形成的巖石礦物粉末，它可以提供有關(guān)太陽(yáng)系天體的后期演化過(guò)程信息，特別是水星和小行星等無(wú)大氣天體幾十億年以來(lái)的表面地質(zhì)過(guò)程以及物質(zhì)改造過(guò)程信息。月球上還有大量撞擊坑，那是長(zhǎng)期由隕石撞擊挖掘形成的一種地貌類(lèi)型，可以提供有關(guān)太陽(yáng)系早期撞擊的歷史信息，以及天體外動(dòng)力地質(zhì)演化的歷史記錄。

月球還是一個(gè)重要的天然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，它的真空、低重力、弱磁環(huán)境以及特殊的空間位置都是開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理想場(chǎng)所。月球沒(méi)有大氣層，是一個(gè)理想的超高真空環(huán)境；同時(shí)，月球重力加速度僅為地球的1/6，是低重力環(huán)境。這樣的特殊環(huán)境可以用來(lái)研究真空低重力環(huán)境下的物理和化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行空間材料的結(jié)構(gòu)變化以及材料的耐熱性、耐冷性、耐腐蝕性等性能研究；可以進(jìn)行空間燃燒實(shí)驗(yàn)，研究太空環(huán)境下燃料的燃燒性能以及熱力學(xué)性能；還可以用來(lái)研究太空環(huán)境下的生物學(xué)反應(yīng)，比如微生物、植物的生長(zhǎng)和繁殖，人體的生理反應(yīng)和生化反應(yīng)等。月球沒(méi)有類(lèi)似地球的全球偶極磁場(chǎng)，剩磁也很微弱，理想的弱磁環(huán)境可以進(jìn)行電子學(xué)和電磁波的相關(guān)研究，比如研究太空環(huán)境下電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、電磁學(xué)性能以及電磁波的傳播特性、傳播距離等。此外，月球的軌道和運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將不斷穿越地球磁鞘和磁尾，同時(shí)保持一面背向地球，這為空間物理實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)提供了理想場(chǎng)所。

總的來(lái)說(shuō)，月球既作為一個(gè)忠實(shí)的記錄者記錄了自身的演化歷史，也作為一個(gè)環(huán)境構(gòu)建者為我們開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了理想場(chǎng)所?！读骼说厍颌颉分腥藗兿Ｍ覍みm宜人類(lèi)生存的新家園，這就需要深入理解太陽(yáng)系甚至宇宙的演化過(guò)程，清晰認(rèn)識(shí)地質(zhì)過(guò)程和空間環(huán)境對(duì)形成宜居環(huán)境的制約。月球作為一個(gè)不宜居天體，它的演化過(guò)程是一個(gè)重要反證。月球信息庫(kù)為我們探索宜居環(huán)境形成規(guī)律提供了重要基礎(chǔ)。此外，《流浪地球Ⅱ》中將月球作為行星發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性驗(yàn)證的試驗(yàn)場(chǎng)，也提示了月球重要的可利用價(jià)值。

月球是一個(gè)重要的資源庫(kù)

月球作為一個(gè)理想的天然實(shí)驗(yàn)室，其本身也是一種重要的資源。《流浪地球Ⅱ》中行星發(fā)動(dòng)機(jī)的建造和試驗(yàn)都體現(xiàn)出了利用月球資源的理念。按照目前的技術(shù)評(píng)估，地月往返成本約在50萬(wàn)—60萬(wàn)元人民幣每千克，考慮到未來(lái)的長(zhǎng)期運(yùn)行，從地球運(yùn)輸資源并非一個(gè)好的選擇，充分利用月球資源才是有效的解決途徑。

月球資源指月球表面可供利用的礦產(chǎn)、能源以及環(huán)境等自然資源，強(qiáng)調(diào)就位利用的可行性，以滿足人類(lèi)在月球表面、月球軌道和空間環(huán)境中的科學(xué)研究、探測(cè)活動(dòng)和工程建設(shè)等的需求。礦產(chǎn)資源主要指月球表面可供開(kāi)發(fā)利用的礦物資源，包括月壤、鈦鐵礦、斜長(zhǎng)巖等巖石礦物；能源資源是指可以在月球進(jìn)行開(kāi)采的能源，主要包括氫、氦-3、氧、水冰等；環(huán)境資源是指月球表面的可利用環(huán)境因素，包括真空、低重力、輻射環(huán)境等。月球資源利用可以為月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)提供支撐，是實(shí)現(xiàn)月球軌道和空間環(huán)境中科學(xué)研究、航天活動(dòng)和工程建設(shè)的重要保障，也可以為未來(lái)的空間探索、移民和開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。月球資源中比較具有代表性的有以下幾種。

鈦鐵礦資源。月球表面分布著22個(gè)主要的月海，所填充的玄武巖總體積約10⁶萬(wàn)立方千米。對(duì)人類(lèi)采回的月球巖石樣品的分析表明，月海的玄武巖中存在大量高鈦玄武巖，其中鈦和鐵的含量相當(dāng)高，鈦鐵礦最高體積含量可達(dá)18%。據(jù)推算，月海玄武巖中鈦鐵礦的總資源量約為1300萬(wàn)億—1900萬(wàn)億噸，其中可開(kāi)采利用的鈦鐵礦資源量約為110萬(wàn)億—220萬(wàn)億噸，所包含的二氧化鈦資源量可達(dá)57萬(wàn)億—115萬(wàn)億噸。盡管這些估算有很大不確定性，但可以肯定的是月海玄武巖中豐富的鈦鐵礦是未來(lái)月球開(kāi)發(fā)利用中最重要的礦產(chǎn)資源之一。

水冰資源。根據(jù)最新探測(cè)結(jié)果，月球南北兩極永久陰影區(qū)中水冰高度富集，估計(jì)總資源量約為66億噸。水冰不僅可以為未來(lái)月球基地提供基本生命維持保證，而且通過(guò)分解水可得到氧氣和氫氣，其中氧氣是航天員在月球上必需的生命支持物質(zhì)，而氫氣可以作為火箭燃料的推進(jìn)劑。

氦-3資源。在月壤的稀有氣體中，最讓我們感興趣的是核聚變?nèi)剂?mdash;—氦-3。相比目前正加速發(fā)展的利用氘和氚反應(yīng)的熱核聚變裝置來(lái)說(shuō)，用氦-3來(lái)進(jìn)行核聚變反應(yīng)具有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先，傳統(tǒng)的氘—氚聚變反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量高能中子，而這些中子將對(duì)核反應(yīng)裝置產(chǎn)生廣泛的放射性損傷；若用氦-3作為反應(yīng)物，氘—氦聚變反應(yīng)主要產(chǎn)生高能質(zhì)子而不是中子，因此所需要的防護(hù)設(shè)施、材料和環(huán)保條件要簡(jiǎn)便和廉價(jià)得多。其次，氚本身具有放射性，而氦-3沒(méi)有放射性。據(jù)計(jì)算，氦-3的能量回報(bào)率為270，核裂變發(fā)電的能量回報(bào)率為20，而煤僅為16，氦-3作為一種可長(zhǎng)期使用、清潔、高效、安全的核聚變發(fā)電燃料是毋庸置疑的。但是，氦-3在地球上的含量微乎其微，理論儲(chǔ)量?jī)H約0.5噸。而月球由于幾乎沒(méi)有大氣層，長(zhǎng)期的太陽(yáng)風(fēng)粒子注入使月壤富含氦-3，其資源總量可達(dá)100萬(wàn)—500萬(wàn)噸。若能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用，月壤中的氦-3可滿足地球數(shù)萬(wàn)年的能源需求?！?o:p>

我國(guó)月球探測(cè)的發(fā)展

我國(guó)月球探測(cè)從20世紀(jì)90年代的規(guī)劃論證，到21世紀(jì)初的立項(xiàng)實(shí)施，再到如今的多任務(wù)快速實(shí)施，已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。20世紀(jì)90年代初，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士提出了我國(guó)月球探測(cè)的總體規(guī)劃。2004年，國(guó)家正式批準(zhǔn)“嫦娥一號(hào)”工程任務(wù)立項(xiàng)實(shí)施；2007年10月24日，“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星成功發(fā)射升空，成為中國(guó)首枚進(jìn)入月球軌道的探測(cè)衛(wèi)星。“嫦娥一號(hào)”的發(fā)射標(biāo)志著中國(guó)月球探測(cè)進(jìn)入了新的階段。隨后，2010年發(fā)射的“嫦娥二號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星進(jìn)一步對(duì)月球表面環(huán)境、礦物組成、地形地貌等進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，并飛掠圖塔蒂斯小行星進(jìn)行探測(cè)。2013年發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了月面軟著陸和巡視探測(cè)，標(biāo)志著我國(guó)月球探測(cè)的技術(shù)和裝備發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。2018年發(fā)射的“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次月球背面軟著陸和巡視勘察。2020年“嫦娥五號(hào)”成功發(fā)射并實(shí)現(xiàn)了采樣返回任務(wù)，帶回1731克月球樣品，圓滿完成了歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士提出的我國(guó)月球探測(cè)“繞—落—回”三步走任務(wù)。

在完成一系列工程任務(wù)后，我國(guó)月球探測(cè)在月球地形地貌、物質(zhì)組成、空間環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及表面磁場(chǎng)等方面也取得了一系列新認(rèn)識(shí)，尤其是最近兩年針對(duì)“嫦娥五號(hào)”月球樣品的研究，厘定了月球巖漿活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，將阿波羅時(shí)期認(rèn)定的月球停止巖漿活動(dòng)的時(shí)間推遲了10億年。同時(shí)，還揭示了高壓礦物的特征及成因、月壤中水的太陽(yáng)風(fēng)成因機(jī)制、納米鐵的不同成因機(jī)理等月球地質(zhì)演化規(guī)律。

未來(lái)，我國(guó)月球探測(cè)將發(fā)生重大變革，重點(diǎn)將從科學(xué)認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向資源利用。從深空探測(cè)發(fā)展大趨勢(shì)看，太空資源開(kāi)發(fā)和利用已成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新疆域。探測(cè)對(duì)象從距離相對(duì)較近的月球和火星拓展到了更遙遠(yuǎn)的小行星以及其他天體，與人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)的太空資源開(kāi)發(fā)和利用會(huì)成為今后較長(zhǎng)一段時(shí)間國(guó)際深空探測(cè)的重要目標(biāo)。當(dāng)前，世界主要航天大國(guó)都已圍繞太空資源規(guī)劃和部署了大量探測(cè)任務(wù)，多個(gè)國(guó)家還為此出臺(tái)了太空資源開(kāi)發(fā)和利用的法律法規(guī)。在此背景下，我國(guó)月球探測(cè)的重點(diǎn)也勢(shì)必從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向資源利用。我國(guó)已提出在月球南極通過(guò)國(guó)際合作共同建設(shè)月球科研站的規(guī)劃，探索月球資源利用的技術(shù)途徑；與此同時(shí)，載人月球探測(cè)將瞄準(zhǔn)建設(shè)可供航天員長(zhǎng)期駐留的月球基地，開(kāi)展月球資源利用技術(shù)驗(yàn)證，開(kāi)啟月球資源利用的新時(shí)代。

圍繞月球基地建設(shè)，月球資源就位利用主要包括月壤資源利用、月面工程建造和月面生命支持三個(gè)大方面。月壤資源利用是指從月球表面的火山熔巖、碎屑和月壤中提取有價(jià)值的物質(zhì)資源，包括金屬、硅酸鹽、氧化物、礦物質(zhì)等，用于構(gòu)建宇航器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、飛機(jī)、航天飛行器和其他航天設(shè)備，支撐月面科學(xué)研究、工程建設(shè)和設(shè)備供應(yīng)等；月面工程建造是指在月球表面建設(shè)實(shí)驗(yàn)室、航天站、天文臺(tái)、放射性物質(zhì)儲(chǔ)存設(shè)施和工業(yè)廠房等設(shè)施，為月球科學(xué)研究和航天活動(dòng)提供基礎(chǔ)；月面生命支持是指在月球表面建設(shè)安全的生活空間，提供水、食物和空氣等生活必需品，為月球軌道和空間環(huán)境提供人員駐扎的可行性。

月球資源利用面臨的挑戰(zhàn)主要有三個(gè)方面：首先是技術(shù)挑戰(zhàn)。技術(shù)難題包括月球表面資源的開(kāi)采、提取和分離等，目前這些技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。其次是經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。月球資源的開(kāi)采、提取、分離和運(yùn)輸?shù)仁谴笸度搿⒏叱杀镜幕顒?dòng)，需要大額投入才能獲得預(yù)期效果。最后是安全挑戰(zhàn)。包括月球表面的放射性物質(zhì)、環(huán)境輻射和月面塵埃的危害等，尚需要科學(xué)家們進(jìn)行大量研究，對(duì)這些潛在的危害進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，以確保月球資源利用的安全性。

月球探測(cè)具有非常重要的意義，是理解太陽(yáng)系天體演化過(guò)程、認(rèn)識(shí)宜居環(huán)境成因的重要基礎(chǔ)，也是人類(lèi)尋找新家園的跳板。而月球資源利用是實(shí)現(xiàn)月球開(kāi)發(fā)和移民的重要支柱，是未來(lái)宇宙探索的基礎(chǔ)。我國(guó)月球探測(cè)在取得巨大成就的基礎(chǔ)上，也將瞄準(zhǔn)月球資源利用這一目標(biāo)，逐步建立月球科研站和月球基地，開(kāi)啟未來(lái)月球探測(cè)的新時(shí)代。

（作者單位：中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心）