月球资源与月球勘探

      月球是地球惟一的天然卫星、离地球最近的天体，表面保存着自４６亿年前形成以来至３１亿年以前的地质活动记录，对人们认识地球、太阳系以至整个宇宙的起源和演化历史有重要意义，可以说月球是研究地球起源与演化的最佳“标本”。
　　一、月球：巨大的资源宝库
　　探查月亮一直是人类的理想，这不仅因为月球是地球的天然卫星，更重要的还在于月球宝贵的资源和月球位置的价值。
　　月球有丰富的矿藏，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。在月球广泛分布的岩石中，蕴藏有丰富的钛、铁、铀、钍、稀土、镁、磷、硅、钠、钾、镍、铬、锰等矿产，仅月海玄武岩中含有可开采利用的钛金属至少就有１００万亿吨。月球上的岩石主要有三种类型，第一种是富含铁、钛的月海玄武岩；第二种是斜长岩，富含钾、稀土和磷等，主要分布在月球高地；第三种主要是由０．１～１毫米的岩屑颗粒组成的角砾岩。月球岩石中含有地球中全部元素和６０种左右的矿物，其中６种矿物是地球没有的。
　　月球的矿产资源极为丰富，地球上最常见的１７种元素，在月球上比比皆是。以铁为例，仅月面表层５厘米厚的沙土就含有上亿吨铁，而整个月球表面平均有１０米厚的沙土。月球表层的铁不仅异常丰富，而且便于开采和冶炼。据悉，月球上的铁主要是氧化铁，只要把氧和铁分开就行；此外，科学家已研究出利用月球土壤和岩石制造水泥和玻璃的办法。在月球表层，铝的含量也十分丰富。所以，利用月球进行资源加工可以获取海量月球资源，从而为人类资源的可持续发展开拓新的生长点。
　　月球的土壤中富含由太阳风粒子积累形成的气体，这些气体尤其是氦－３，是可控制核聚变发电的高效燃料，但它在地球上极为稀少。氦―3是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，利用氘和氦３进行的氦聚变可作为核电站的能源，这种聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变，不仅可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。据悉，月球表面土壤中蕴藏着１００万到５００万吨的氦―3，1吨的氦―3所产生的电量足以供全人类使用1年。从目前的分析看，由于月球的氦３蕴藏量大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。许多航天大国已将获取氦３作为开发月球的重要目标之一。西方几个国家正在计划建设可控制核聚变反应堆，预计在３０年后，氦－３将成为人类的主要能源，并能让我们的子孙后代使用几万年。
　　氧占月球土壤含量的４０％，这对发展以月球为基地的航天技术意义重大，如由于火箭发动机每燃烧１kg 氢要消耗６kg 氧，如果载人航天器飞经月球以外行星，能在月球上补给氧，那么在地面起飞时，月球以远飞行所需推进剂就可少带６／７，这一设想如能实现，至少能具有像１９世纪为火车头补给木柴、为蒸气轮船补给水那种作用。
　　根据目前的探测结果，月球上的矿产资源极为丰富，其中探测与研究程度较高的有月海玄武岩中的钛铁矿和克里普岩中的稀土元素、钾、磷和铀、钍等。 
　　月海玄武岩是巨大的钛铁矿的储存库。月球表面没有液态水，但由于早期观察者在无法看清月面的情况下，只能凭借丰富的想象力，给月球上许多地方冠上“海”等的名字。实际上所谓的“月海”是月球表面的平原或盆地，是被一种暗色的、称为玄武岩的物质所覆盖的区域。我们一般把这些区域上的玄武岩称为月海玄武岩。根据目前的探测与分析结果，月球上有22个月海都被玄武岩所充填。 
　　据专家的模式计算，分布在这些月海平原或盆地上的玄武岩的总体积大约有106万立方公里，以目前地球上钛铁矿开采的品位为参考值，通过已有的探测结果特别是“克莱门汀”号月球探测器的多光谱探测数据，可计算出这些玄武岩中钛铁矿达到开发程度的资源量超过100万亿吨。尽管其模式计算的结果带着很大的推测性与不确定性，但可以肯定的是，月海玄武岩确实蕴藏着丰富的钛铁矿，而且，钛铁矿不仅是生产金属铁、钛的原料，还是生产水和火箭燃料―――液氧的主要原料。遗憾的是，目前对月海玄武岩厚度的探测程度很低，影响了月海玄武岩总体积的计算精度，进而影响了钛铁矿开发利用前景评估的可靠性。因此未来的月球探测应侧重于这方面的研究。 
　　克里普岩是月球主要岩石类型之一，因其富含钾（K）、稀土元素（REE）和磷（P）而得名。此外克里普岩还富含铀、钍放射性元素。根据最近“克莱门汀”号和“月球勘探者”号的探测资料分析，在月球正面风暴洋区域可能就是克里普岩的分布区域，进而对克里普岩出露于月面或近月面进行了成因机制的分析，并估算出其厚度估计有10―20公里。据一些专家的模式计算，克里普岩中稀土元素、钍、铀的资源量分别约为6.7亿吨、8.4亿吨和3.6亿吨。 
　　对克里普岩的分布区域目前还有争论，但克里普岩所蕴藏的丰富的稀土元素以及钍、铀是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源。此外，月球上其他岩石还蕴藏着丰富的、极具开发潜力的铝、钙、硅等资源。
　　此外，月球上没有大气、没有磁场、地质构造稳定、弱重力、高洁净的特殊自然条件和自然环境，是进行许多基础科学研究以及制备一些昂贵生物制品与特殊材料的理想场所。月球引力只有地球引力的１／６，从月球上发射航天器比从地球上发生也可节省大量推进剂。
　　二、大国争先勘探月球
　　月球资源已被世界所瞩目，有空间技术能力的国家和地区已开始为２１世纪占有月球资源做准备。早在“阿波罗”登月时代，美国和前苏联为了探测月球，曾发射过７个系列８０多个无人月球探测器。其中美国４个系列（“先驱者”、“徘徊者”、“月球轨道器”、“勘测者”）共３６个；前苏联３个系列（月球号、宇宙号和“探测器”系列）共４７个。事实上，“阿波罗”计划共产生了３０００多项专利，带动了整个２０世纪七八十年代全世界的高新技术产业发展；据统计，在阿波罗计划中投入的每１美元平均带来了５美元的效益。
　　自“阿波罗”飞船登月以后，月球探测进入低潮。１９８９年７月２０日在纪念“阿波罗”登月２０周年纪念会上，美国总统布什提了“重返月球、登上火星”的倡议。美航宇局开始制定新的计划即重返月球计划，美国于2001年１０月宣布“新前锋月球探测计划”，明确今后的深空探测以月球为主，分无人探测、送机器人上月球、航天员飞上月球三个阶段建立月球基地。
　　日本以其经济和技术实力，率先拉开９０年代又一轮月球探测序幕。１９９０年１月发射了“飞天”月球探测器。１９９６年１０月正式宣布了建造永久月球基地计划，预计投资２６０多亿美元，在未来３０年内建成月球基地，包括居住、氧和能源生产厂以及月球天文台等。除发展新型运载技术外，将月球软着陆和自主漫游车技术作为最主要的关键技术开发，陆续发射月球先锋－１～３探测器，其中包括２００５年将漫游车送上月球。
　　欧空局各国也十分重视月球开发，欧洲空间局计划在２０２０年之前分４个阶段进行月球探测。在４个建造月球基地的阶段中，以２００２年发射软着陆器为第１阶段，称为月球欧洲演示器（ＬＥ－ＤＡ）方案。该演示器高２m ，直径４.１m ，起飞质量３．３t ，计划在月球南极区降落，验证月面软着陆和月面移动技术。在第四阶段将完成月球基地建设，宇航员进驻永久性月球基地。
　　三、中国嫦娥奔月计划
　　中国在这个方面的研究已开展多年，现在是整装待发，“嫦娥”一旦“飞天”，必将为人类探测月球、开发与利用月球资源和能源做出应有贡献。
　　从１９６２年起，我国就开始对美苏两国发射的各种月球探测器进行了跟踪研究。美国在登月前做过多次探月尝试，包括硬着陆和逼近月球等方式并拍回一些照片；美国实现了阿波罗计划；后发射月球车登月考察，最大行程３９公里，采集了一些标本并返回地球；最后实现了载人登月。但这样的勘探对于表面积是我国国土面积４倍的月球来说仍然是不全面的。
　　目前，我国能自主承担从运载火箭、卫星研制、探测仪器、测控能力到对月球信息的处理、样品的分析等全部工作。“嫦娥”主要有七大类任务，中国科学院将承担其中的总体设计、确定科学目标和技术要求，提供全部科学探测仪器，开发全部地面应用系统这三大类任务，并调动国家天文台的５０米天线、乌鲁木齐和上海天文台的２５米天线和云南天文台的１０米天线共同组成长基线干涉测量网辅助完成测控任务。此次探月，月球卫星的设计寿命为１年。月球探测卫星首先发射至同步轨道，周期为１２小时，再逐步加速至２４小时和４８小时，然后进入地月转移轨道，在接近月球时多次遥控减速，最后把它稳定在月球的极轨上。
　　２１世纪初，世界各国月球探测的工程的最终目标，是建立月球基地，开发利用月球丰富的资源、能源和特殊环境，为人类社会的可持续发展提供长期而稳定的支撑。当前，我国近期的探月计划分为三期。
　　“嫦娥”一期是在最近的２到３年，发射月球探测器。探测任务是测量全月面的三维地形、地貌和地质构造，目的是获取全月面三维影像，高精度立体“地图”将使我们对月球有更深入的了解；探测月球有可能对人类有用的能源、资源的分布特征和分布规律，美国曾对月球上的５种资源进行探测，我们将探测１４种；探测月壤厚度及分布，估算氦－３及其他气体的资源量；监测地月空间环境。
　　“嫦娥”二期是发射月球探测器软着陆和月球车巡视探测。探测地点将根据第一阶段卫星用１年时间拍回的精密“地图”来圈定；精细探测对象是着陆区的土壤、岩石、环境，这将为建设月基天文台，进一步开展月球研究打好基础。
　　“嫦娥”三期是发射小型采样返回舱、月面钻岩机、月球机器人等，通过月球车、机器人等进行现场探测，采集有关样品，返回地面进行研究，为载人登月和月球基地选址提供有关数据。