在无腔室环境中使用微波熔化月球表土模拟物：来自物理模型实验的见解

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Microwave melting of lunar regolith simulant in an unchambered environment: Insights from physical model experiments

月壤模拟物开放型微波熔化过程中，微波功率、工作距离及能量消耗对温度场演变和熔融过程的影响规律研究。通过物理模型实验发现，月壤表面温度呈现线性加热、快速升温及稳定三阶段特征，熔融样品呈半椭球状由颗粒分离到熔融态，最终形成致密无孔隙结构。低功率长时间熔化样品孔隙率低但力学性能不均，高功率短时熔化样品孔隙率高但力学性能均匀。研究揭示了电磁场分布与材料形貌的关联性，为月球基地在轨建造提供技术支撑。

　　

贾琦璐|郑伟李|冯夏婷|何成丹|王永军|左洋|王进

东北大学智能深部金属采矿与装备国家重点实验室，中国沈阳，110819

摘要

月球表层的微波熔化技术利用交变电磁场中的电磁损耗来进行加热过程及随后的固化。这种加热方式具有选择性、均匀性和即时性等优点，使其成为一种极具前景的原位建造方法。为了适应月球表面的操作条件，本研究提出了一种用于月球表层的开放式微波熔化方法。在无腔室环境中对月球表层模拟物进行了微波熔化实验，系统研究了微波功率、工作距离和能耗等关键参数对熔化过程中温度场和熔体演变的影响。此外，还分析了熔化样品的宏观形态、孔隙特征、微观结构和纳米力学性能。实验结果表明，月球表层模拟物在开放式微波能量场中的表面温度演变呈现出明显的三阶段特征：初始阶段为缓慢线性升温，中间阶段升温速率迅速增加，最后阶段温度趋于稳定。微波定点熔化样品的半椭球形状由开放式微波辐照下模拟物中的电磁场分布决定。在相同的微波能耗下，低功率长时间熔化的样品具有较低的宏观孔隙率、更小的平均孔径和更均匀的孔隙分布，但基体的微观力学性能均匀性较差；而高功率短时间熔化的样品则具有较高的宏观孔隙率、较大的平均孔径和不均匀的孔隙分布，但其基体的微观力学性能均匀性较好。微观结构分析显示，在熔化过程中，月球表层模拟物颗粒从分离状态转变为熔融状态，熔融体从含有少量开放孔隙的状态发展为含有大量封闭孔隙的状态，最终形成致密无孔的固体。

引言

深空探索对于人类揭示宇宙未知规律和开发外星资源至关重要，它有助于拓展人类生存空间并推动科学技术进步。在各种天体中，作为地球最近的邻居且资源丰富的月球已成为深空探索的主要目标。¹随着中国第四阶段月球探测计划的全面推进及重大深空探测项目的实施，月球基地建设已从科学概念阶段进入了工程实施阶段。中国2021年《空间白皮书》明确提出了开发月球研究站关键技术和系统建设的要求，将月球表面原位建造技术列为突破的重点领域。²2020年，中国提出了国际月球研究站的建设方案，遵循“整体规划、分阶段实施、同步建设与利用”的原则，计划到2028年建立基础研究站，2040年建成完备的研究站，并最终将其发展为应用型、实用的多功能月球基地。³

由于将建筑材料从地球运输到月球的成本极高，利用月球原位资源进行基地建设的策略受到了广泛关注。覆盖月球表面的月球表层土壤被认为是最具潜力的建筑材料来源。^4,5

基于原位资源利用（ISRU）原则，目前已开发出多种月球建造方法，包括月球表层土壤固化⁶、结合成型⁷和熔化技术⁸。其中，月球表层土壤熔化技术直接利用外部能量对土壤进行加热和固化，无需额外粘合剂，从而实现了较高的原位资源利用率。这种方法可以显著降低地球到月球的运输成本，成为未来大规模月球建造的关键技术之一。

现有的月球表层土壤熔化技术主要包括热辐射熔化⁹、激光熔化¹⁴、太阳能熔化¹⁹、等离子体熔化²¹和微波熔化²²。热辐射熔化能够产生机械性能优异的月球表层土壤熔化样品，但其相对较慢的加热速率限制了其应用效率；激光熔化可以生产高精度的熔化样品，但由于激光束尺寸和穿透深度的限制，在大规模建造应用中存在局限性¹⁶；虽然太阳能熔化在能耗方面具有显著优势，但其熔化产品的机械性能难以满足建造要求²⁰；等离子体熔化能够快速制造高密度部件，但等离子体设备的复杂性限制了其在月球建造中的应用²⁶。微波熔化通过将微波电磁场能量转化为热能实现体积加热，相比热辐射熔化，它显著降低了能耗和时间。此外，微波熔化的穿透深度更大。研究表明，激光、太阳能聚光器和微波对月球表层土壤模拟物JSC-1的穿透深度分别为254 μm⁸、6 mm²⁷和13.4 mm²⁸。同时，微波熔化设备的结构相对简单，这些特点赋予了月球表层土壤微波熔化独特的优势，预示着其在月球原位建造应用中的广阔前景。

鉴于微波熔化在月球表层土壤材料中的诸多优势，许多研究人员开展了相关研究。Taylor的研究使用家用微波炉对真实的月球表层土壤进行了微波熔化实验，结果表明真实的月球表层土壤具有很强的微波吸收能力，能够在几分钟内快速熔化²²。这一现象源于月球表层土壤中存在的纳米相金属铁（np-Fe⁰）和玻璃相颗粒，它们增强了微波能量的耦合效率。Bartmatz等人证明，月球表层土壤模拟物的形态特征（尖锐/锯齿状边缘）提升了微波吸收效果²⁹。

还有一些研究人员专注于研究添加特定物质对月球表层土壤熔化效果的影响。在Taylor的基础上，研究人员研究了纳米铁（np-Fe⁰）对月球表层土壤模拟物CLRS-2微波熔化过程的影响。实验结果显示，含有1.0 wt% np-Fe⁰的月球表层土壤样品在微波熔化过程中的性能优于不含np-Fe⁰的样品³⁰。这进一步证实了纳米相金属铁（np-Fe⁰）与微波具有良好的耦合作用，有效提高了样品内部的加热温度。此外，月球表面丰富的钛铁矿具有优异的微波吸收性能，是提高月球表层土壤熔化效率的重要研究方向。研究表明，在1 kW微波辐射下，钛铁矿可在5分钟内升温至1047°C³¹。相关实验发现，当钛铁矿掺入月球表层土壤模拟物并在微波腔中熔化时，含有4.6%钛铁矿的样品不仅密度最高，还具有良好的隔热性能（热导率为0.15 ± 0.005 W/(mK)和最佳的压缩强度（74.0 ± 7.1 MPa）³²。

还有一些研究人员致力于优化微波熔化过程以提高月球表层土壤的加热效率。该方法利用对微波敏感的材料作为能量接收体，促进部分微波能量转化为热能，并引入外部传统热传导，从而形成双向加热机制或混合加热模式。这种方法不仅提高了整体系统效率，还有效解决了微波加热过程中温度分布不均匀的问题³³。研究结果表明，在混合微波熔化过程中，温度对样品性能有显著影响，而熔化时间和加热速率的影响相对较小³⁴。通过优化加热速率和样品尺寸，成功制备出了尺寸为10cm × 10cm × 5cm的均匀熔化样品³⁵。此外，研究人员设计的陶瓷纤维微波炉进一步推动了混合微波加热技术的发展和完善³⁶。使用该炉子，仅需家用微波炉即可完成月球表层土壤模拟物的熔化³⁶。还有一些研究人员通过结合开放式微波天线和探针实现了局部微波加热，能够在几秒钟内熔化毫米级的样品³⁷。

目前关于月球表层土壤微波熔化的研究主要采用基于腔体的加热方法，这些方法难以满足月球表面开放环境下的操作需求。为此，本研究在无腔室环境中对月球表层土壤模拟物进行了微波熔化实验，系统研究了微波参数（微波功率、工作距离和能耗）对熔化过程中温度场和熔体演变的影响。同时分析了熔化样品的宏观形态、孔隙分布、微观结构和纳米力学性能。研究结果为月球表层土壤的原位微波熔化提供了理论支持。

材料

本研究使用了东北大学开发的月球表层土壤模拟物，其原材料来自中国东北部长白山地区的玄武岩火山喷发物。原材料经过研磨和筛分后，根据真实月球表层土壤的颗粒大小分布进行混合，然后置于105°C的环境中加热90分钟以去除水分。图1(a)和(b)展示了

温度场的宏观演变规律

根据第2.3节描述的实验程序，使用红外热成像相机监测并获取了不同工作距离、微波功率和能耗条件下月球表层土壤模拟物表面的温度场分布图。在温度采集与微波加热停止之间存在短暂的时间延迟。在此期间，高温的月球表层土壤表面会向周围环境散发热量

真空环境对月球表层土壤微波熔化的影响

在实际月球表面的高真空条件下，真空效应促进了月球表层土壤微波熔化过程中的多尺度耦合。首先，真空环境中没有空气介质，显著降低了电磁波的传输损耗，从而提高了微波能量场与月球表层土壤之间的耦合效率。

其次，真空环境可以降低

结论

本文在无腔室环境中对月球表层土壤模拟物进行了微波熔化实验，系统研究了微波参数（微波功率、工作距离和能耗）对熔化过程中温度场和熔体演变的影响。分析了熔化样品的宏观形态、孔隙分布、微观结构和纳米力学性能。

作者贡献声明

贾琦璐：撰写——初稿、可视化、方法论、数据分析。郑伟李：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据采集。冯夏婷：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、概念构思。何成丹：验证、监督。王永军：数据收集。左洋：数据收集。王进：数据收集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42477206）、中国国家航天局资助的民用航空航天技术预研究项目（项目编号：D010302）以及真空技术与物理实验室科学技术基金会（项目编号：HTKJ2024KL510003）的支持。