月球上的核能如何开采

① 清洁核聚变燃料是什么意思为何氦三会在月壤而非地球积累如何勘探开采利用月球

清洁燃料是燃烧后不产生有害物质的燃料。
在地球上，燃烧木材、煤炭、石油等都会产生二氧化碳等，会造成大气层中二氧化碳含量上升，引发温室效应，所以这些燃料不是清洁燃料。现在的核电站使用核裂变物质，如铀235等，会产生核辐射，还会产生难以处理的放射性核废料，也不是清洁燃料。
目前，人类利用的清洁能源有太阳能、水能、风能、海洋能等，但总量不大，不能满足人类需要。
而氢核聚变比起其他燃料来说“干净”了许多，但还是会产生中子等辐射，不算最“清洁”。而利用氦3进行核聚变，不会产生其他物质，是最清洁的燃料。按目前的世界能源需求，100吨氦3就能满足全球的能源所需。
氦3来源于太阳上发生的热核聚变，太阳风带着氦3向四周扩散。月球由于没有大气层，氦3能够到达月球表面，所以成为很好的氦3“收集器”，并贮存在月球的土壤中。在月球诞生的45亿多年的时间里不停的收集着氦3。所以，月球表面存在着大量的氦3，估计储量有100万吨。
当然，月球土壤中的氦3也会逃逸到宇宙空间中去，所以月球土壤中的氦3总是保持着一定的含量。如果把月球土壤中的氦3提取出来，过一段时间，氦3又会在月球土壤中积累下来，还可以继续提取。
而地球有磁场和大气层，来自太阳的氦3被地球磁场偏转和大气层的阻挡无法到达地面，所以地球上只有极少量的氦3，无法提取利用。
要开采月球上的氦3不是一件容易的事。
第一，氦3的开采是困难的。首先要建立一个可以长期居住的、功能完善、可以基本自我维持的月球基地，然后还要派人上去长期值守，用加热月球土壤再收集压缩气体的办法开采并提炼氦3。而这些技术目前还不具备。
第二，核聚变反应的技术尚未研发成功，目前还没有对这种安全的核燃料的需求。
第三，目前正在研发的核聚变反应堆利用的是氚氘作为聚变材料。而氘在地球上的含量非常丰富，足够人类用到地球毁灭，按现在的能源消耗量，足够用上百亿年。用于生产氚的锂的储量也非常丰富。虽然这种核聚变反应堆会产生大量的核辐射，但防护措施做好也是安全的。
第四，需要的资金量太大。据估算，完成这个计划需要2500～3000亿美元，花费30～40年的时间。

② 如何在太空中建立核电站

人们已经在陆地上建造了几百座核电站，后来又计划在海上和海底建核电站，接着又将核反应堆搬上太空，建立起太空核电站。

早在1965年，美国就发射了一颗装有核反应堆的人造卫星。1978年1月，前苏联军用卫星“宇宙254”号也装有核反应堆，因控制机构失灵而坠入大气层，变成许多小碎片，散落在加拿大的西北部地区。由于碎片会污染环境，影响人体健康和生物的生存，加拿大政府就此事向前苏联提出抗议，并要求赔偿损失。人们由这一事件开始知道，核反应堆已在超级大国的空间争夺战中开始发挥重要作用。

将核反应堆装在卫星上，主要是因为它重量轻、性能可靠，而且使用寿命长、成本较低。

在人造卫星上通常都装有各种电子设备，包括电子计算机、自动控制装置、通信联络机构、电视摄像机和发送系统等，需要大量使用可靠的电能。对于用来探测火星、木星等星体的星际飞行器，配备的电子设备就更多更复杂，而且来回航程要几年到十几年，在此期间，还要与地球保持不断的联系。因此，这种太空飞行器上所用的电源，要求容量更大，性能更加可靠。

起初，人们在卫星和太空飞行器上使用燃料电池，这种电池虽然工作稳定可靠，能提供所需要的电能，但它的成本高，使用寿命较短，不能满足长期使用的需要。后来，人们又采用太阳能电站作为卫星和太空飞行器的电源，然而，当卫星运行到地球背面或具有漫长黑夜的月球上(一个“月夜”相当于地球上的14个昼夜)，或者向远离太阳的其他行星飞行过程中，太阳能电池就根本无法工作。此外，即使在有阳光的条件下使用太阳能电池，当需要提供大容量的电能时，仅电池的集光板就大到上千平方米，这在太空飞行中显然是难以做到的。人们最后终于找到了比较理想的卫星和太空飞行器用的电源——空间核反应堆。

在采用核反应堆作为太空飞行器电源之前，还广泛使用了核电池。直到现在，一些太空飞行器还广泛采用这种核电源。核电池的使用寿命一般可达5～10年以上，电容量可达几十至上百瓦。然而，它的电容量与太空核反应堆比起来就显得微不足道了。太空核反应堆的电容量可达几百瓦至几千瓦，甚至可高达百万瓦。这样，对于要求电源容量越来越大的一些太空飞行器来说，就理所当然地选用核反应堆作为电源了。太空核反应堆在工作原理上与陆地上的基本一样，只是前者由于在太空飞行中使用，要求反应堆体积小，轻便实用。

实际上，太空核反应堆不仅可用作太空飞行器和卫星的主要电源，而且还是未来用于考察和开采月球矿藏的理想电源。

③ 未来谁有权利开采月球为啥可控核聚变一定要用月球上的氦-3

太空采矿目前只是科幻小说或电影里的事情，但也有望在未来成为现实，因为这是人类走向深空的必由之路，就像现在的高速路每段都有服务区一样，太空采矿可以成为人类探索宇宙的中继站，我们的月球肯定会成为首要的目标。

那么，月球上富含着哪些珍贵的资源让人类如此向往呢？大量的黄金、钻石或稀有金属矿藏？虽然月球上确实蕴藏着许多有价值的物质，但这些稀有的矿藏还不至于让人类去月球上开采。但有两种物质却引起了人们的极大兴趣，那就是水和氦。

用水作为火箭燃料，或者可作为月球基地的水资源

太空旅行是非常昂贵和需要大量资源的项目。从地球发射的火箭需要一次性携带巨量的燃料，以摆脱地球强大的引力，然后到达目的地再返回地球。路程越远、载重越大，需要携带的燃料就越多，燃料越多给火箭增加的重量就越大，这意味着又需要更多的燃料来推动火箭进入深空。

开采所有的氦不会导致月球从天上掉下来。采矿作业也不会对月球产生大的影响，即使月球失去其总质量的1%，对其轨道的影响也不大，也不会对地球海洋的潮汐产生影响，我们大可放心。

至于所有权，1967年的联合国外层空间条约规定，任何国家都不能拥有外层空间任何天体的所有权，这主要是为了防止美国当年乱搞。然而，限制了国家，但不会阻止私人公司把月球作为他们自己的商业财产。目前并没有相关的规定限制私人公司开采，这也是目前美国扶持私人公司的原因。

④ 月球上有哪种可以利用的资源

月球有丰富的矿藏，据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。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。

科学家指出，要开发月球必须对月球进行全面的探测，了解月球的资源，并逐步对资源进行开发。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。

月球土壤中还含有丰富的氦3，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，月球土壤中氦3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。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。

1998年3月5日，美国航天局向全球发布了一条特大新闻：“月球勘探者”号探测器发
现月球两极存在大量液态水，其储量约为0．1亿吨-3亿吨，它们分布在月球北极近5万平
方公里和南极近2万平方公里的范围内。如果月球陨石坑底部土壤水层非常深厚，那么月
球上的水资源储量最终有可能达到13亿吨。
月球上的水资源首次被证实，这一振奋人心的消息使科学家欣喜若狂，在全世界亦产
生强烈反响，因为这一发现对于人类在下个世纪建立永久性月球基地具有里程碑式的重大
意义。
科学家们认为，月球上存在的水资源可能是人类在太阳系中拥有的最宝贵的“不动产”。
即使月球水的储量只有3300万吨，也足以保证2000人在月球上生活100多年，而且从月球
的土壤中提取水是一个“简单”的过程，将混有冰的泥土收集起来加热，使冰融化后便可
得到水。据估计，现在找到的这些冰水可以填满一个深11米，面积10平方公里的湖泊。月
球水是生命之源，它不仅能供给宇航员饮用和生活之用，使他们在月球上的持续停留时间
更长，还可以在太空栽培农作物或喂养动物；水又是一种动力源，可以分解为氢和氧，为
行星探测飞船提供燃料，大大延长飞船的使用寿命，有了水，科学家可以方便地开发月球
上的各种自然资源，还可以把月球当作探测宇宙空间的前哨基地；水对于研究月球的成因
和性质也有相当重要的意义。
当然，开发月球上的水资源并非易事，因为月球上的冰块并非集中在某一个冰冻层，
大量的冰同岩石，尘土混杂在一起，估计其含量仅占0．3%—1%。此外，由于月球陨石坑
一直不见天日，坑内混度太代，需要能在月球两极-230℃起低温下工作的机器，但制造这
样的机器极为困难。
尽管如此，既然月球有水，那么人类重返月球，建立月球基地，开发月球资源的日子
将成为21世纪科技的目标。此外，月球水资源的开发和利用也将使太空旅游由理想变成现
实。

人类在月面上进行科学探测与研究活动，开发利用月球资源，建立永久性月球基地是十分必要的。至于月球基地建设和月面活动方案，已有很多建议，由于目的不同及建议者不同，因而各种提案有着很大的差别。但只要我们从总体的构思上对这些提案进行剖析，都离不开下列几个发展阶段。

①基地建设准备阶段：对地形及资源的调查；

②建设前哨基地：在月面临时居住，向下一阶段过渡的准备作业；

③建立月球生产基地：月面上长住，生产活动开始；

④发展中的月球基地：生产活动进入正常化阶段；

⑤成熟的月球基地（即永久性月球基地）：建立各种产业，经济独立化。

月球前哨基地的建设，意味着人类已跨入月球基地建设的第二阶段。应该说，这时的人类开发月球活动，还仅仅是一个开端。年轻的科学家们将奔赴月球前哨基地，到第一线去参加实际考察，希望能够掌握更多的第一手资料，为开发月球、建设月球献出美好的青春。年富力强的实业家们，被月球上丰富的资源所吸引，他们将开辟新的战场，到月球上去开矿、建厂、创业，加快月球资源利用的步伐，在月球上大展宏图。

这里必须强调的是，当大批人马进入月球基地，转入月球生产基地建设阶段时，需要解决的问题比前哨基地建设复杂得多、困难得多。这是因为人员增多，需要就地建设住宅，再依靠着陆器上航天员住宅远远不能满足要求。而月面是真空的，表面温度从-170℃至+130℃之间发生变化，温差极大。此外，还需经受宇宙射线和微小陨石骚扰等危险环境的考验。为了使航天员能长期生活在这样严峻的自然环境中，基地的各种建筑物的结构必需具有高度的气密性、绝热性、抗辐射性等。科学家们为此已勾画出月球生产基地的基本轮廓，提出了月球上工农业生产、科研的布局，供给设计师们作为建筑设计的依据。

根据月岩样品及大量有关资料的研究与分析，确定了月球优先生产的产品原则，主要是充分利用月球资源，为扩建月球基地而生产所必须的原材料，重点放在制氧、金属冶炼、建筑材料的制备等。为了实现这一目的，人们已对月球上的加工厂的生产工艺流程及制备方法进行了多方面的详细研究。

科学家很早就开展月球表土提取氧的方法研究，他们利用阿波罗飞船取回的月球沙土进行实验，在1000℃的高温下，将月沙中的钛铁矿和氢接触生成水，再将水通过电解提取氧。研究表明，提取1吨氧，约需70吨的月球表土。考虑到在月球上生产的特殊情况，建议在月球基地建设的同时，应考虑配备一套小型的化学处理设备，利用太阳能作动力，每天大约可制备出100千克的液氧。具体工艺流程是，利用月球岩石在高温下与甲烷发生反应，生成一氧化碳和氢。在温度较低的第二个反应器中，一氧化碳再与更多的氢发生反应，还原成甲烷和水。然后使水冷凝，再电解成氢和氧，把氧储存起来供使用，而氢则送入系统中再循环使用。据预测，月球制氧设备，最初是为给月面上航天员提供氧气之用，但他们需要的氧气并不多，一个12人规模的基地，每月也只需要350千克氧气。而一套制氧设备连续工作后，可生产出相当数量的氧气，因此，在月球基地建设时，应同时建造一个永久性的液氧库，以便供给航天器作为低温推进剂燃料使用。

十分有意义的是，在制氧过程中经过化学处理后得到的“矿渣”，却成了上等的副产品。这是因为它含有丰富的游离态硅和可供冶炼的金属氧化物，只要采用适当的工业方法便可继续冶炼，炼制出工业上极有使用价值的金属钛。科学家们提出的制钛工艺流程是，将“矿渣”通过机械粉碎、磁选，提取出铁钛氧化物，在1273℃高温下加氢处理，生成氧化钛，再以硫酸置换出其中的铁，接着和碳混合，在700℃的温度下通入氯气，经过化学反应后生成四氯化钛，然后在2000℃高温下加热，投入镁以便脱出氯，最终得到熔融态的钛。

铝的精制方法更为新颖，月面上的铝是由称之为斜长石的复杂结构所组成，倘若用常规精炼方法制铝，在月面上很难获得成功。科学家们经过反复试验与研究，提出了一套炼铝的新的工艺。具体做法是，将月岩粉碎，在1700℃下加热熔化，然后在水中冷却至100℃制成多质的球，再经粉碎，在其中加入100℃的硫酸，即可浸出铝。用离心分离法和过滤法除去硅化物后，再将它在900℃的温度下进行热解反应，得到氧化铝和硫酸钠的混合物。随后洗去硫酸钠并进行干燥，再与碳混合加热的同时，加入氯气与之进行反应，生成了氯化铝，经电解，获得最终产品——纯铝。

建筑业离不开玻璃，因此在月面上生产玻璃显得尤为重要。通常的玻璃是由71～73％的氧化硅，12～14％的碳酸钠，12～14％的氧化钙组成。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为主。其精制方法较为简单，即在月球土壤中根据需要加入各种微量添加物，用硫酸溶解出一些无用的成分之后，在1500～1700℃下熔化，然后经压延冷却，即可制成月球玻璃。

随着月球资源开发取得相当惊人的成果，试生产阶段已告一段落，小型试生产的产品已远远不能满足需求，需要进一步扩大再生产，使月球生产活动逐步走向批量化生产。与此同时，由于进入月球参加开发的人员增多，所建月球基地已显得拥挤不堪，需要完成改建、扩建基地工程，这无疑需要大量的建筑材料，尤以对混凝土的用量为最大。值得庆幸的是，制造混凝土所需的沙土、石子、水泥，都可以就地取材。混凝土结构具有成本低、易于成型、抗辐照等优点，是建设月球基地最有希望的建筑材料。新型月球基地，可根据设计采用混凝土预制的舱体来建造。当然，被采用的月球混凝土构件的形式是很多的，这里介绍一种通用舱段为六棱柱形的，先用混凝土制成框架和壁板，然后装配成形。这种形式的舱体的最大优点是非常灵活，由于它是六角形体，通过各个面既可向平行方向辐射扩展，亦可向垂直方向（向上）扩展，墙壁、天花板、地板，随时都可拆卸，也可根据需要再组合拼接，扩建基地，调整空间。最后将套在它里面的圆筒式的增压舱体连接起来，便构成了一个组装式的月球基地。

人们到月球上建设基地，除了开发资源发展生产外，最终目标还是想把月球扩建成移民区，让更多的人到月球上观光、游览，或者带着全家老小移居到月球上，做一名月球人。这样一来，其建设规模更加庞大，需要的建筑材料更多，并要求寻找一种更为简便的施工方法。一些科学家提出，在南极洲应用的一种称为“挖掘—装填”的建造技术，也完全适用于月球。推土机将在月球表面的松软岩层或“浮土”中挖出一条壕沟，再把一节节的圆筒式增压舱装入沟中，连接紧固后，在它上面覆盖很厚的一层月球岩土，即可耐热、绝热、保温，又可防止辐照。科学家们已设计出一个月面研究实验基地，主要任务是进行月面上的天文观测、地貌地质调查、矿产资源勘查等。其设计规模可容纳60名航天员，能提供居住6个月以上的能源及生活必需品。

月面研究实验基地，以球形舱和圆筒形舱构成环状体，分为工作区和生活区两大部分。工作区由研究实验舱、工业生产舱、农作物种植舱、生态环境生命保障舱、管理舱、能源舱、物资供给舱、航天港等组成。其中农作物种植舱除生产农作物外，还饲养鸡、羊、兔、鱼等动物，培植藻类、蕨类植物，以及水果蔬菜等。生态环境生命保障舱内配备有气体净化处理、水处理、排泄物处理设施。而能源舱主要是太阳能发电设备，在舱外平地上安放了大面积的太阳能电池阵。航天港离研究实验基地稍远一些，它是用来接待和发射月球飞船的场所。进入生活区，则是另一番天地，这里环境优美，人生活在里面感到安逸、快乐，能洗去一天的工作疲劳。生活区内有公共场所、住宅以及生活配套设施。公共场所供航天员之间交流情感、谈天说地、互换信息、餐饮、聚会、娱乐等，航天员在柔美的乐曲声中翩翩起舞，或在影像画面中开怀畅饮，得到足够的休息。天花板和墙整体漆成白色，使人感到明快、舒适。个人住宅，为航天员个人睡眠、看书报和娱乐的空间，以蓝色和绿色这些冷色为基调，使内部装饰得较为柔和，照明布置使空间富有立体感，生活在这样的环境里，感到很幽静，容易入睡。生活配套设施有健身房、医疗保健所等。

究竟要建成什么样的月球基地，这是众多人关心的问题。一些能源科学家建议，月球上蕴藏着大量的硅、铁、铝、钛、钙、氧等元素，而这些元素地球上的已足够供人类使用，开采它们还算不上当务之急。只有氦在地球上是绝无仅有的，尤其是氦-3，它是地球上没有的能源，储量相当丰富，是未来核聚变反应堆的理想燃料，因此，应优先开发建立月球能源基地。另一些能源专家则指出，还应重点建设月球太阳能发电基地。其实二者并不矛盾，这足以说明解决地球未来能源短缺问题已迫在眉睫。

由于月球和地球有着类似的地质特征，都蕴藏着丰富的核资源和建设核电站所需的原材料，因此，很适合在月球上建造核电站。在地球进行核发电时要使用涡轮和水，而在月球上，通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统，便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能源基地，将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力，通过高传输效率的短波长激光束，也就是紫外线区的激光，输送到静止轨道上的能量中继卫星，在中继卫星上，电能被转换成在空气中具有高传输效率波长的激光，然后再传送到位于地球上的接收站。由接收站再将能量分配到各个区去供用户使用。

月球核能源基地，通常建造在月球的两极地区，因为极地是向地球进行能源传输的最佳场地。月球核能源基地一旦建成，转入稳定运行后，将全部由机器人操作控制、维护与修理，绝对不会对人类造成污染威胁。为了建立月球核能源基地，有许多工程技术问题，有待人们尽快研究解决，例如超高效能量转换系统、空间用核反应堆、空间机器人、大功率输出的高效激光生成设备、接收设备、激光传输的安全技术等。

正如前面所述，月球上氦-3不仅储量多，而且是一种洁净的核能源，这对于净化地球环境十分有利，对人类来说颇具吸引力。如果将它从月球上开采出来运至地球，供人类享用，无疑使人类获益匪浅。据预测，从月球的矿石中提取的氦-3，足以满足整个地球400年能源的需要。经测算，建设一个500兆瓦的氘-氦-3核聚变电站，每年约需50千克的氦-3，也就是说，每年只要在月面上挖一个面积1.5平方千米，深3米的坑。而且它不含放射性物质并能产生更多的能量，用氦-3为原料，核反应堆成本将降低一半。仅开发氦-3月球资源这一点，人们就足以理解重返月球的深远社会与经济意义了。

总之，月球基地将成为人类生存延伸到地球以外星球的开端，是人类空间的第一移民区，并且也是人类向太阳系其它行星进军的中转站。月球基地的建设是一场新的技术革命，必将对世界的文化、经济、社会、科技等各个领域产生重大和深远的影响。

⑤ 月球能源的开发设想是什么

在地球上，由于人口越来越多，能源危机也日益严重。因此，有人提出了把月球建成能源基地的设想。这种能源基地不但能为人类的月球基地提供动力，还可以为地球人谋福利。

20世纪80年代初，曾有一批美国科学家提出了一个月球采矿方案。他们建议先把重约60吨的自动化机械设备送上月球，其中包括一台小型电磁采矿设备，一台能从月球上开采出来的矿石中加工提炼出硅的设备，一台能把硅制造、装配成太阳能电池的设备，还有一台能生产更多上述自动化设备的“母机”。这台“母机”可以利用太阳能电池提供的能源和采矿机械提供的原料，制造出第二代、第三代采矿机械和太阳能电池，扩大再生产。据他们估算，实现这一计划约需要50亿美元，是“阿波罗”登月计划的1／5。

开发月球的设想在利用月球能源的问题上，科学家们一致认为，未来月球探测与研究将重点朝向4个目标：①月球能源的全球分布与利用方案研究；②月球矿产资源的全球分布和利用方案研究；③月球特殊空间环境资源(超高真空、无大气活动、无磁场、地质构造稳定、弱重力、无污染)的开发利用；④建立月球基地的优选位置、建设方案与实施研究。

科学家们还认为，世界各国应该联合起来，在最近二三十年内联合建立永久性月球基地，开发和利用月球，为人类的可持续发展服务。

月球是人类共同的财富，探索宇宙是人类共同的愿望，它将为全人类带来幸福。正如第二个登上月球的美国航天员奥尔德林所说：“对于那些在悠悠转动的地球上仰望夜空的人，月亮都匀洒银光，绝不厚此薄彼。因此，我们希望，太空探索的成果也将由大家分享，从而给整个人类带来和谐的影响。”

开发月球太阳能资源射向地球的太阳能，约有1／3被地球的大气反射到太空中，剩下不到2／3还要遭受地球大气的散射和吸收等，能够到达地球表面的只是一小部分；月球则不同，表面没有大气，太阳辐射可以长驱直入，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量，大约为12万亿千瓦。

科学家设想在月球上建立一个极其巨大的太阳能光伏电池阵，由它来聚集大量的阳光发电，然后将产生的电能以微波形式传输到地球上。为了解决微波束发散角比较大，地面的接收天线难以接收的问题，可以使用微波激射技术(微波激射又称脉冲，它的波束不发散)。

月球上的一个白天和黑天各持续时间约为地球上的2个星期。为了持续供电，可以在月球上每隔经度120度各建一个太阳能电站，或者在月球的正面和背面各建一个太阳能电站，然后联结成网，就可以保证整个电网连续、稳定地发电。

硅是制造太阳能电池阵的主要材料，月球上硅储量丰富，又具超真空、低重力的环境，能生产出高质量的硅光伏电池。

月球太阳能电站建设需要的其他材料，如铝、钛、铁、钨、铜等，都能从月球上提取，但加工生产装置需要从地球送到月球。

开采氦-3

什么是氦

我们先简单地了解一下：在地球自然界，存在着3氦(氦-3)和4氦(氦-4)两种同位素。4氦的原子核有2个质子和2个中子，称为玻色子；而3氦只有1个中子，称为费米子。20世纪30年代末期，卡皮查发现4氦的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17开时，4氦原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3氦这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论(BcS理论)的提出，使得人们认为在极低温度下3氦也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3氦的超流动性。20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3氦的超流动性，不久，其他的研究小组也证实了他们的发现。

3氦超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3氦超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3氦，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但是可以认为是对3氦液体涡旋形成的理论的验证。3氦超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的磁共振的方法，开创了用磁共振技术进行断层检验的先河，今天磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。

氦-3神奇在哪里

氦-3是氦的同位素。含有2个质子和1个中子。它有着许多特殊的特性。当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，通过稀释制冷理论，温度可以降低到接近绝对零度。在温度达到2.18开以下的时候，液体状态的氦-3还出现“超流”现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放的杯子中“爬”出去。然而，当前氦-3最被人重视的原因还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素氘发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全。

开发利用氦-3

开发利用月球土壤中的氦-3，将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。

从20世纪90年代开始，人类掀起了新一轮的探月高潮，在这次探月高潮中，氦-3成为世人共同的目标。但是，月球氦-3的形成和分布特征、储量和应用，仍是月球科学研究中亟待解决的问题，只有通过大量的探测和重返月球野外实地考察，才能获得较为满意的回答。

1.氦-3的形成机理

月球表面的土壤是由岩石碎屑、粉末、角砾岩、玻璃珠组成的，其结构松散且相当软。月海区的土壤一般厚4～5米，高地的土壤较厚，但也不超过10米。月球土壤的粒度变化范围很宽，大的几厘米，小的只有一毫米或微米级，这些细土一般称为月尘。月球土壤中细小的角砾岩及玻璃珠，约占70％，小颗粒状玄武岩及辉长岩约占13％。惰性气体在月球玄武岩和高地角砾岩中含量极低，大气中就更低，几乎为零。然而，月壤和角砾岩中氢气元素则相当丰富。这是由于太阳风的注入，太阳风实际上是太阳不断向外喷射出的稳定的粒子流。1965年“维那3”号火箭对太阳风的化学组成进行了直接测定，结果显示，太阳风粒子主要是由氢离子组成的，其次是氦离子。由于外来物体对月球表面撞击，使月壤物质混杂，在探达数十米的范围内存在着这氢气元素。太阳离子注入物体表面的深度，通常小于0.2微米。因此，这些元素在月壤最细颗粒中含量最高，大部分注入气体的粒子堆积粘合成月壤角砾岩或黎聚在玻璃珠的内部。氦大部分集中在小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。

2.氦-3的利用前景

月球上的氦-3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达1∶250。这个偿还比和铀—235生产核燃料(1∶20)及地球上煤矿开采(偿还比约1∶16)相比，是相当有利的。

此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必需的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2～3艘载重10吨的宇宙飞船，即可从月球上运回大量氦-3，供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类目前就开始着手实施从月球开采氦-3的计划，大约三四十年后，人类就能实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面，该计划总的费用将在2500万～3000万美元。

有人提出，可不可以不将氦-3运回地球，而是直接在月球上建立核能源基地，通过电能传输到静止轨道上的中断卫星，再传送到位于地球的接收站，然后分配到各个地区，供用户使用呢?科学家们预测，在月球上建立核电站并保持其正常工作，难度要比从月球上运回原料氦-3在地球上发电大得多。

“嫦娥1”号卫星搭载的探月仪器探测月球土壤厚度与元素含量是该探测卫星工作的重要内容。氦-3作为最有潜力的新能源，也是我国探卫星获取其资源信息的重要内容。

开发月球矿物宝藏

科学家们已经提出了多种月球基地的采矿方案，包括借鉴地球采矿技术和采矿设备，计算机控制的遥控操作采矿系统等。月球采矿将分阶段实现：第一阶段首先进行勘探和采矿的试验性研究；第二阶段建设采矿所需的基础设施，例如从地球上将勘探、施工和采矿设备部件运送到月球基地上进行装配，建设采矿场，并开展小规模作业：在第三阶段将扩大采矿作业；第四阶段将建成先进的月球采矿基地，采矿人员将在控制室中遥控机器人进行较大规模的开采。

目前，美国在研讨未来月球冶金工业的建设方案。估计到2025年左右，月球上就会出现第一批冶金厂。生产各种金属制件和液氧，供建设月球基地、太阳能电站、空间站以及其他航天器的需要。

月球采矿将是个高度自动化的过程，平时无人值守，隔一段时间，航天员对开采设备进行一次检查和维护。月球上的开采设备与地球上的开采设备有许多不同，它们大都是遥控开采机器人，以电力驱动，能承受恶劣的月球环境，采用模块化设计，以便于更换部件和维修。开采机器人能够“一专多能”，除完成“本职工作”外，还能承担一些通用性的任务，如起重、拖运等。由于月球重力加速度只有地球的1／6，与地球质量相同的物体在月面要轻得多，因此月面运输的能耗很低。对于开采量较大的作业，需要使用可移动的处理设备如移动处理厂等，避免大量的原料运输，以提高开采效率。

⑥ 如何利用月球的资源

月球有丰富的矿藏，据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。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。
科学家指出，要开发月球必须对月球进行全面的探测，了解月球的资源，并逐步对资源进行开发。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。

月球土壤中还含有丰富的氦3，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，月球土壤中氦3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。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。

1998年3月5日，美国航天局向全球发布了一条特大新闻：“月球勘探者”号探测器发

现月球两极存在大量液态水，其储量约为0．1亿吨-3亿吨，它们分布在月球北极近5万平

方公里和南极近2万平方公里的范围内。如果月球陨石坑底部土壤水层非常深厚，那么月

球上的水资源储量最终有可能达到13亿吨。

月球上的水资源首次被证实，这一振奋人心的消息使科学家欣喜若狂，在全世界亦产

生强烈反响，因为这一发现对于人类在下个世纪建立永久性月球基地具有里程碑式的重大

意义。

科学家们认为，月球上存在的水资源可能是人类在太阳系中拥有的最宝贵的“不动产”。

即使月球水的储量只有3300万吨，也足以保证2000人在月球上生活100多年，而且从月球

的土壤中提取水是一个“简单”的过程，将混有冰的泥土收集起来加热，使冰融化后便可

得到水。据估计，现在找到的这些冰水可以填满一个深11米，面积10平方公里的湖泊。月

球水是生命之源，它不仅能供给宇航员饮用和生活之用，使他们在月球上的持续停留时间

更长，还可以在太空栽培农作物或喂养动物；水又是一种动力源，可以分解为氢和氧，为

行星探测飞船提供燃料，大大延长飞船的使用寿命，有了水，科学家可以方便地开发月球

上的各种自然资源，还可以把月球当作探测宇宙空间的前哨基地；水对于研究月球的成因

和性质也有相当重要的意义。

当然，开发月球上的水资源并非易事，因为月球上的冰块并非集中在某一个冰冻层，

大量的冰同岩石，尘土混杂在一起，估计其含量仅占0．3%—1%。此外，由于月球陨石坑

一直不见天日，坑内混度太代，需要能在月球两极-230℃起低温下工作的机器，但制造这

样的机器极为困难。

尽管如此，既然月球有水，那么人类重返月球，建立月球基地，开发月球资源的日子

将成为21世纪科技的目标。此外，月球水资源的开发和利用也将使太空旅游由理想变成现实。
人类在月面上进行科学探测与研究活动，开发利用月球资源，建立永久性月球基地是十分必要的。至于月球基地建设和月面活动方案，已有很多建议，由于目的不同及建议者不同，因而各种提案有着很大的差别。但只要我们从总体的构思上对这些提案进行剖析，都离不开下列几个发展阶段。

①基地建设准备阶段：对地形及资源的调查；

②建设前哨基地：在月面临时居住，向下一阶段过渡的准备作业；

③建立月球生产基地：月面上长住，生产活动开始；

④发展中的月球基地：生产活动进入正常化阶段；

⑤成熟的月球基地（即永久性月球基地）：建立各种产业，经济独立化。

月球前哨基地的建设，意味着人类已跨入月球基地建设的第二阶段。应该说，这时的人类开发月球活动，还仅仅是一个开端。年轻的科学家们将奔赴月球前哨基地，到第一线去参加实际考察，希望能够掌握更多的第一手资料，为开发月球、建设月球献出美好的青春。年富力强的实业家们，被月球上丰富的资源所吸引，他们将开辟新的战场，到月球上去开矿、建厂、创业，加快月球资源利用的步伐，在月球上大展宏图。

这里必须强调的是，当大批人马进入月球基地，转入月球生产基地建设阶段时，需要解决的问题比前哨基地建设复杂得多、困难得多。这是因为人员增多，需要就地建设住宅，再依靠着陆器上航天员住宅远远不能满足要求。而月面是真空的，表面温度从-170℃至+130℃之间发生变化，温差极大。此外，还需经受宇宙射线和微小陨石骚扰等危险环境的考验。为了使航天员能长期生活在这样严峻的自然环境中，基地的各种建筑物的结构必需具有高度的气密性、绝热性、抗辐射性等。科学家们为此已勾画出月球生产基地的基本轮廓，提出了月球上工农业生产、科研的布局，供给设计师们作为建筑设计的依据。

根据月岩样品及大量有关资料的研究与分析，确定了月球优先生产的产品原则，主要是充分利用月球资源，为扩建月球基地而生产所必须的原材料，重点放在制氧、金属冶炼、建筑材料的制备等。为了实现这一目的，人们已对月球上的加工厂的生产工艺流程及制备方法进行了多方面的详细研究。

科学家很早就开展月球表土提取氧的方法研究，他们利用阿波罗飞船取回的月球沙土进行实验，在1000℃的高温下，将月沙中的钛铁矿和氢接触生成水，再将水通过电解提取氧。研究表明，提取1吨氧，约需70吨的月球表土。考虑到在月球上生产的特殊情况，建议在月球基地建设的同时，应考虑配备一套小型的化学处理设备，利用太阳能作动力，每天大约可制备出100千克的液氧。具体工艺流程是，利用月球岩石在高温下与甲烷发生反应，生成一氧化碳和氢。在温度较低的第二个反应器中，一氧化碳再与更多的氢发生反应，还原成甲烷和水。然后使水冷凝，再电解成氢和氧，把氧储存起来供使用，而氢则送入系统中再循环使用。据预测，月球制氧设备，最初是为给月面上航天员提供氧气之用，但他们需要的氧气并不多，一个12人规模的基地，每月也只需要350千克氧气。而一套制氧设备连续工作后，可生产出相当数量的氧气，因此，在月球基地建设时，应同时建造一个永久性的液氧库，以便供给航天器作为低温推进剂燃料使用。

十分有意义的是，在制氧过程中经过化学处理后得到的“矿渣”，却成了上等的副产品。这是因为它含有丰富的游离态硅和可供冶炼的金属氧化物，只要采用适当的工业方法便可继续冶炼，炼制出工业上极有使用价值的金属钛。科学家们提出的制钛工艺流程是，将“矿渣”通过机械粉碎、磁选，提取出铁钛氧化物，在1273℃高温下加氢处理，生成氧化钛，再以硫酸置换出其中的铁，接着和碳混合，在700℃的温度下通入氯气，经过化学反应后生成四氯化钛，然后在2000℃高温下加热，投入镁以便脱出氯，最终得到熔融态的钛。

铝的精制方法更为新颖，月面上的铝是由称之为斜长石的复杂结构所组成，倘若用常规精炼方法制铝，在月面上很难获得成功。科学家们经过反复试验与研究，提出了一套炼铝的新的工艺。具体做法是，将月岩粉碎，在1700℃下加热熔化，然后在水中冷却至100℃制成多质的球，再经粉碎，在其中加入100℃的硫酸，即可浸出铝。用离心分离法和过滤法除去硅化物后，再将它在900℃的温度下进行热解反应，得到氧化铝和硫酸钠的混合物。随后洗去硫酸钠并进行干燥，再与碳混合加热的同时，加入氯气与之进行反应，生成了氯化铝，经电解，获得最终产品——纯铝。

建筑业离不开玻璃，因此在月面上生产玻璃显得尤为重要。通常的玻璃是由71～73％的氧化硅，12～14％的碳酸钠，12～14％的氧化钙组成。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为主。其精制方法较为简单，即在月球土壤中根据需要加入各种微量添加物，用硫酸溶解出一些无用的成分之后，在1500～1700℃下熔化，然后经压延冷却，即可制成月球玻璃。

随着月球资源开发取得相当惊人的成果，试生产阶段已告一段落，小型试生产的产品已远远不能满足需求，需要进一步扩大再生产，使月球生产活动逐步走向批量化生产。与此同时，由于进入月球参加开发的人员增多，所建月球基地已显得拥挤不堪，需要完成改建、扩建基地工程，这无疑需要大量的建筑材料，尤以对混凝土的用量为最大。值得庆幸的是，制造混凝土所需的沙土、石子、水泥，都可以就地取材。混凝土结构具有成本低、易于成型、抗辐照等优点，是建设月球基地最有希望的建筑材料。新型月球基地，可根据设计采用混凝土预制的舱体来建造。当然，被采用的月球混凝土构件的形式是很多的，这里介绍一种通用舱段为六棱柱形的，先用混凝土制成框架和壁板，然后装配成形。这种形式的舱体的最大优点是非常灵活，由于它是六角形体，通过各个面既可向平行方向辐射扩展，亦可向垂直方向（向上）扩展，墙壁、天花板、地板，随时都可拆卸，也可根据需要再组合拼接，扩建基地，调整空间。最后将套在它里面的圆筒式的增压舱体连接起来，便构成了一个组装式的月球基地。

人们到月球上建设基地，除了开发资源发展生产外，最终目标还是想把月球扩建成移民区，让更多的人到月球上观光、游览，或者带着全家老小移居到月球上，做一名月球人。这样一来，其建设规模更加庞大，需要的建筑材料更多，并要求寻找一种更为简便的施工方法。一些科学家提出，在南极洲应用的一种称为“挖掘—装填”的建造技术，也完全适用于月球。推土机将在月球表面的松软岩层或“浮土”中挖出一条壕沟，再把一节节的圆筒式增压舱装入沟中，连接紧固后，在它上面覆盖很厚的一层月球岩土，即可耐热、绝热、保温，又可防止辐照。科学家们已设计出一个月面研究实验基地，主要任务是进行月面上的天文观测、地貌地质调查、矿产资源勘查等。其设计规模可容纳60名航天员，能提供居住6个月以上的能源及生活必需品。

月面研究实验基地，以球形舱和圆筒形舱构成环状体，分为工作区和生活区两大部分。工作区由研究实验舱、工业生产舱、农作物种植舱、生态环境生命保障舱、管理舱、能源舱、物资供给舱、航天港等组成。其中农作物种植舱除生产农作物外，还饲养鸡、羊、兔、鱼等动物，培植藻类、蕨类植物，以及水果蔬菜等。生态环境生命保障舱内配备有气体净化处理、水处理、排泄物处理设施。而能源舱主要是太阳能发电设备，在舱外平地上安放了大面积的太阳能电池阵。航天港离研究实验基地稍远一些，它是用来接待和发射月球飞船的场所。进入生活区，则是另一番天地，这里环境优美，人生活在里面感到安逸、快乐，能洗去一天的工作疲劳。生活区内有公共场所、住宅以及生活配套设施。公共场所供航天员之间交流情感、谈天说地、互换信息、餐饮、聚会、娱乐等，航天员在柔美的乐曲声中翩翩起舞，或在影像画面中开怀畅饮，得到足够的休息。天花板和墙整体漆成白色，使人感到明快、舒适。个人住宅，为航天员个人睡眠、看书报和娱乐的空间，以蓝色和绿色这些冷色为基调，使内部装饰得较为柔和，照明布置使空间富有立体感，生活在这样的环境里，感到很幽静，容易入睡。生活配套设施有健身房、医疗保健所等。

究竟要建成什么样的月球基地，这是众多人关心的问题。一些能源科学家建议，月球上蕴藏着大量的硅、铁、铝、钛、钙、氧等元素，而这些元素地球上的已足够供人类使用，开采它们还算不上当务之急。只有氦在地球上是绝无仅有的，尤其是氦-3，它是地球上没有的能源，储量相当丰富，是未来核聚变反应堆的理想燃料，因此，应优先开发建立月球能源基地。另一些能源专家则指出，还应重点建设月球太阳能发电基地。其实二者并不矛盾，这足以说明解决地球未来能源短缺问题已迫在眉睫。

由于月球和地球有着类似的地质特征，都蕴藏着丰富的核资源和建设核电站所需的原材料，因此，很适合在月球上建造核电站。在地球进行核发电时要使用涡轮和水，而在月球上，通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统，便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能源基地，将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力，通过高传输效率的短波长激光束，也就是紫外线区的激光，输送到静止轨道上的能量中继卫星，在中继卫星上，电能被转换成在空气中具有高传输效率波长的激光，然后再传送到位于地球上的接收站。由接收站再将能量分配到各个区去供用户使用。

月球核能源基地，通常建造在月球的两极地区，因为极地是向地球进行能源传输的最佳场地。月球核能源基地一旦建成，转入稳定运行后，将全部由机器人操作控制、维护与修理，绝对不会对人类造成污染威胁。为了建立月球核能源基地，有许多工程技术问题，有待人们尽快研究解决，例如超高效能量转换系统、空间用核反应堆、空间机器人、大功率输出的高效激光生成设备、接收设备、激光传输的安全技术等。

正如前面所述，月球上氦-3不仅储量多，而且是一种洁净的核能源，这对于净化地球环境十分有利，对人类来说颇具吸引力。如果将它从月球上开采出来运至地球，供人类享用，无疑使人类获益匪浅。据预测，从月球的矿石中提取的氦-3，足以满足整个地球400年能源的需要。经测算，建设一个500兆瓦的氘-氦-3核聚变电站，每年约需50千克的氦-3，也就是说，每年只要在月面上挖一个面积1.5平方千米，深3米的坑。而且它不含放射性物质并能产生更多的能量，用氦-3为原料，核反应堆成本将降低一半。仅开发氦-3月球资源这一点，人们就足以理解重返月球的深远社会与经济意义了。

总之，月球基地将成为人类生存延伸到地球以外星球的开端，是人类空间的第一移民区，并且也是人类向太阳系其它行星进军的中转站。月球基地的建设是一场新的技术革命，必将对世界的文化、经济、社会、科技等各个领域产生重大和深远的影响。

⑦ 月球上面有可供人类赖以维持的燃料，为什么不去开采呢

氦-3主要通过核聚变发电。征服受控核聚变将在很长一段时间内解决人类能源危机问题，它将是人类从石油文明向核能文明过渡的标志，是人类文明的重大突破。

目前受控核聚变在国际上处于公关状态，但进展并不快。它在实验中只能在短时间内抑制超高温等离子体，还有太多的难题需要世界各国合作解决。一些科学家预测，受控核聚变可能进入商业运行，这将使人类广泛受益。

太空运输成本极高。据说航天飞机将1公斤材料运送到空间站将花费22，000美元。空间站距离地球表面只有400公里，而距离月球则有38万公里。

而且登月的难度根本不能用距离叠加来计算，就算运回去一公斤月球土，也要付出很高的代价。因此，开采氦-3并将其运回地球仍然是一个不切实际的梦想。

美国已经开始实施载人登月重返计划，该计划包括建立一个永久性的月球基地。开始用机器人建造和建造必要的生活设施，然后派人留在那里，逐渐形成永久基地的生态循环能力，然后开始一些生产活动。

⑧ 月亮上的核能新秀是什么

一、月球氦能的概念

氦（He）是拉丁语Helium一词的词头，氦本意即为“太阳元素”。1868年，由法国天文学家詹逊在观测日食的时候，在日冕光谱中所发现。这种稀有气体充斥在宇宙空间大气层中。它无色无味，在空气中大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的1/7.2，是除了氢以外密度最小的气体。现时已知的氦同位素有八种，包括3He、4He、5He、6He、8He等，但只有3He和4He是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以4He占最多，多是从其他放射性物质的α衰变放出α粒子（4He原子核）而来。3He的含量在地球上极少，而在月球上储量巨大。

目前，地球上核电站所采用的核裂变生产方式危险性很大。如果用核聚变反应来生产能源，不仅单位产量是裂变能的几百倍，而且产生的放射性危险只有裂变过程的万分之一。人类社会进入20世纪90年代之后，科学家利用氢的同位素氘和氚进行控制性核聚变反应，取得突破性的进展。作为这种受控热核反应重要元素的氚，在自然界中并不存在，需要从核反应中获取。因此，科学家提出一个以氦的同位素3He代替氚的新设想。3He含有两个质子和一个中子，在热核聚变反应过程中，3He同具有一个中子和一个质子的氘发生热核聚变，产生的中子很少，可以大大降低热核聚变反应堆的放射性危害。这样，受控热核反应装置既不存在放射性，又可以比用氚反应的体积小、结构简单、造价也低，既可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。因此，3He被认为是21世纪人类社会的完美燃料。

地球上的3He十分稀缺。在整个地球大气中，氦只占0.0005%；而3He又只占这些氦中的0.00014%，其余的99.99986%都是4He，即使把地球大气中的3He全部分离出来，也只有4000t。而在月球上的情况却大不相同，月球表面覆盖着的一层由岩屑、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒状物质。这层月壤富含由太阳风粒子积累所形成的气体，如氢、氦、氖、氩、氮等。这些气体在加热到700℃时，就可以全部释放出来。其中，3He在月壤中的资源总量可以达到（100～500）×104t。另据计算，从月壤中每提炼出1t的3He，还可以获得约6300t氢气、700t氮气和1600t含碳气体（CO、CO2）。所以，通过采取一定的技术措施来获得这些气体，对于人类得到新的能源和维持永久性月球基地是十分必要的（图5-5）。

图5-5月球能源基地想象图

二、月氦的成因及分布

月球上的3He全部来自太阳。太阳不断向外喷射出稳定的粒子流，称为“太阳风”，其速度达到100～200km/s。太阳风粒子流在经过地球附近时，由于受到地球磁场的排斥和大气层的阻挡而发生偏转，只有极少量的粒子能到达地球。月球既无磁场，又无大气，太阳风粒子能自由地抵达月球表面，在月球表面土壤上形成覆盖层。月球表面经过亿万年流星和微流星的撞击，表层的土壤得以混合掺杂，以致整个月球表面都不同程度地“沾染”上太阳风的粒子。太阳风由90%的质子（氢核），7%的α粒子（氦核）和少量其他元素的原子核组成。月球上的3He正是太阳风中的α粒子形成的。

太阳风粒子可以直接照射月球表面而被月壤层捕获，在漫长的月球地质历史过程中使得月壤层积累了丰富的3He。3He含量主要受制于两个过程：太阳风粒子注入3He与月壤的脱气作用（outgassing）。如果月表面没有对太阳风粒子注入饱和，3He含量取决于月表面的太阳风。再则，3He含量受制于月壤吸附与保持3He的能力，即月壤的脱气作用，该因素与月壤的结构和化学成分有关。

由于太阳风是月壤中3He的唯一来源，它的强度表现出全月球纬度向的变化，与太阳风射线成一角度的月表面就要受到较少的太阳风粒子照射。当月球进入地球磁尾并偏转太阳风时，月球正面比月球背面接受的太阳风要少一些，使得3He在经度向上有变化。

影响3He含量的第二个因素是月表面土壤的成熟度，即月表面土壤暴露在空间环境中经受了多长的时间。在太阳风空间环境中，月表面土壤粒子大小减小，胶合能力加强，使得月表面土壤3He含量增加。描述月壤成熟过程的定义有几个不同的特征指数，多采用光学成熟度OMAT（optical maturity）来表示月表面土壤的成熟度。

第三个因素是TiO2含量。月球土壤中不同成分（如钛铁矿、橄榄石、辉石、斜长石等）的同一大小粒子含有3He是不同的，其中钛铁矿含3He要高出10～100倍。由于大多数TiO2是在钛铁矿中，TiO2含量作为钛铁矿的一个示踪物，成为3He含量的一个特征指数。

月球正面月海区域由于TiO2含量高，可能有较高的3He含量，尽管那里由于地球磁尾的遮蔽而接受到的太阳风粒子较少。在月海区域可有最大的3He含量，可高达30ng/g。与月球正面月陆区域相比，月球背面月陆区域可有较高的3He含量，主要是月球背面太阳风强。月球极地区域3He含量较少，是因为该处太阳风照射比较弱。

三、月球氦能的利用

核聚变反应有多种，例如，可用氢的同位素氘聚变生成氦，或者用氢的两种同位素氘和氚聚变生成氦。这两种聚变反应虽均可产生大量能量，但也会释放出大量中子或质子，而且还要求反应温度不低于5×108℃，所以很难在实际工程中实施。然而，利用氘和3He聚变生成氦，在聚变过程中，除产生大量能量外，它没有释放中子的问题。因为，氘“多余”的一个中子，在反应过程中，正好被3He吸收而生成氦。而且，所需要的反应温度，也只是目前实验室已达到温度的2倍。所以，它是一种安全、干净、相对来说也比较容易实现的可控核聚变反应。商业经济性分析表明，氘-3He核（聚变）电站，完全可以同核（裂变）电站和火力发电站相竞争。理想的核聚变燃料应该蕴藏丰富，易于获取，释放能量大。氘在天然水中含量丰富，提纯也不困难。氘在水中所占的比例是1∶6500，全世界总储量达1013t。因此，月球上3He提供了新的能源（江燕，1996）。

核聚变反应不仅能够应用于产生电能，而且还可以用于作为火箭推动器的燃料。在氘-3He的核聚变反应中不仅释放14MeV的质子，而且还可以产生超过106s的比冲（火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，也叫比冲量）。这种性能是通过在火箭推动器排气口上加入冷却物质来实现降低火箭推动力实现的。同时也可以通过降低脉冲来增加火箭推动力。因此，核聚变火箭推动器可以在火箭飞行器用核引擎模式下运行加热氢气到高温来产生高的推动力和低的脉冲。也就是说，火箭推动器在运行时，其运行模式可以在一定范围内进行调节。在脱离重力场过程中可以使用较高推动力来完成，而当飞船处于失重状态时，则可以转化成高比冲调节操作。

至于如何把3He从月球拿回来，科学家也有了设想：第一步是要开展资源勘查工作，看月球表面什么地方3He最集中。在此之后才能进行试验性的开采并考虑在月球上建工厂。首先，需要专门的机械去收集月球表面上的土，再将这些土加热至600℃之后，就会分离出气体氦，然后从氦分离出它的同位素3He。下一步就得将3He气体液化，以便于运输。最后一步是将液化的3He用航天飞机运回地球。一般来说，航天飞机一昼夜便能一次性将20t的3He运回地球。全球每年所需能量原料只需航天飞机飞四五次（2.5亿～3亿美元/次），所以月壤中的3He具有巨大的开发利用前景。虽说开采和运输3He的方案非常复杂，需要花费很大的劳动力，而且耗资巨大，但确是可以实现的。据科学家计算，利用月球开发的3He发电成本只是现在核电站发电成本的1/10（宋成文和刘瑀，2009）。

四、月氦的发展

2013年12月“嫦娥三号”成功奔月，令无数华人又心潮澎湃地骄傲了一把。观看了发射全程的人们在感慨人类智慧伟大的同时，也提出了疑问题：利用月球资源距离我们尚远，那么探月工程当下到底对人们有什么实用价值？公开的数据显示，“嫦娥一号”投入14亿元人民币，“嫦娥三号”迄今共投入9亿元人民币，“嫦娥二号”的投入尚未公布。相对于巨额的投入，探月技术所带来的经济价值不可估量。

中国航天科技集团提供的一份数据表明，我国近年来的1000多种新材料中，80%是在空间技术的牵引下研制完成的；有近2000项空间技术成果已移植到国民经济各个部门。目前，空间生命科学与微重力科学、太空旅游、空间材料学等领域仍处于由政府投资研究、试验和探索阶段。中国科学院院士胡文瑞展望将来可能产生的效益时举例说：“美国以‘沸石’作为催化剂炼油，科学家们以提高炼制效率百分之一为目标，在空间展开研究，如果成功，按照美国每年炼油花费900亿美元来算，一年可节约9亿美元；我国科学家也有相应的计划，我国一年需要约20亿吨煤，如果能通过空间试验把燃煤效率提高千分之一，按每吨煤400元人民币计算，每年就是8亿元的效益……而在生命科学等领域如果能有突破性成果，人类的健康和生活将可能出现质的飞跃，这是用数字无法衡量的了。”

“嫦娥二号”的火箭发动机技术所衍生出的技术已应用于环保和人们的食住行等各个领域。经过成果转化后，“嫦娥”奔月将为人类带来众多像氦能这样新的绿色馈赠（水蓝天，2014）。

目前除了中国正积极发展自身的探月技术之外，包括美国在内的西方国家也在酝酿开采月球资源的计划。世界各国纷纷进行探月竞争的原因之一，即是为了确保拥有被认为是下一代核聚变发电燃料的3He。

不过，人类想要获得纯净、清洁的3He还有很长的路要走。英国伦敦大学学院马拉德空间科学实验室行星科学部门负责人安德鲁?科茨对利用3He的可行性提出了质疑，至少地球与月球之间的运输方式尚不完善。他说：“我们在地球上尚未实现聚变发电。这是一个好主意，但还是空中楼阁。”的确，以人类现有的技术和能力，目前还无法做到用3He来作为人类使用的能源，比如说，目前大规模受控核聚变的技术尚不具备等。但是随着科技的不断发展，科学家相信会克服这些困难，最终实现对月采矿的伟大工程。因此，有些国外的科学家认为，要实现这个目标需要联合世界上最好的科研力量，当然也还需要足够的资金支持（刘辉，2014）。

⑨ 为啥可控核聚变一定要用月球上的氦-3谁有权力开采月球

为太空探索提供资源是一回事，我们每时每刻都需要大量的能源，所以我们需要更多的能源来生产地球，生活找到了更长期清洁有效的能源，并逐渐摆脱了目前有限和严重污染的资源，例如各种化石燃料那样，所以国家都没有权利开采，这个问题有相关的规定。

至于所有权，1967年的《联合国外层空间条约》规定，任何国家都不能拥有外层空间任何天体的所有权，主要是为了防止美国在那些年里乱搞。然而，这个国家是受限制的，但是私人公司不会被阻止使用月球作为他们自己的商业财产。目前，还没有相关规定限制私营公司的开发，这也是美国目前支持私营公司的原因。