深空探测是国家综合实力的集中体现，已成为世界航天大国科技竞争的制高点。深空资源利用是国际深空探测的重要前沿方向。其中，深空物质资源的利用对于拓展人类生存空间具有极为深远的意义。介绍了深空资源的基本内涵，概述了深空资源利用的意义；以深空物质资源为研究对象，总结了星球挥发分开采利用、大气资源利用、矿产资源开采冶炼，以及星表原位制造建造等技术的国内外研究进展；展望了深空物质资源利用未来发展趋势，以期为后续研究工作提供参考。

　　深空探测是指发射航天器对月球及其以远的天体或空间进行探测的航天活动。20世纪，以美国、苏联为主的深空探测任务以认识星球为主要目标，极大地推动了航天技术的快速发展，建立和完善了空间科学、行星科学等基础学科的知识体系。进入21世纪，利用星球成为国际深空探测领域新的研究热点，美国国家航空航天局（NASA）于2019年正式启动阿尔忒弥斯（Artemis）计划，希望以月球原位资源利用促进可持续的月球探索，并通过月面创新计划（LSII）、小型企业创新研究计划（SBIR）等资助月球原位资源利用技术攻关。同年，俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）公布了与俄罗斯科学院联合制定的《月球综合探索与开发计划草案》，规划了水提取、氧气制取、原位资源制造零部件等月球资源利用方向的多个科学探测与研究任务。2022年，欧洲航天局（ESA）发布《“新世界”（Terrae Novae）2030+战略路线图》，将原位资源利用作为未来10年重点任务之一。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2015年成立太空探索创新中心（TansaX），旨在推动包括原位资源利用在内的前沿技术研究。中国探月工程“绕、落、回”取得成功，探月工程四期已获批立项，将建成国际月球科研站基本型。其中，“嫦娥六号”将于2024年前后发射，实施月背采样返回任务；“嫦娥七号”将于2026年前后发射，开展月球南极环境与资源详查；“嫦娥八号”将于2028年前后发射，开展月球资源利用等新技术试验验证。

　　深空资源的范畴涵盖物质资源、环境资源、位置资源。深空物质资源是指存在于天体或深空环境中的天然物质，包括气体、液体、固体和其他形式的物质；深空环境资源是指星表天体或深空环境中独特的大气/真空、重力、磁场、温度条件、太阳辐射、宇宙辐射等；深空位置资源是指星表或空间中独特的地理地势、轨道位置。深空资源利用可定义为将深空天体及空间的物质、环境、位置等元素转化为可满足深空探测原位长期科研作业、可靠生存驻留、自主维修维护等任务需求，以及丰富地球资源供给手段、扩展人类生存空间等各种要素的过程。其中，深空物质资源利用是破解地球矿产资源枯竭难题、承载人类文明永续发展愿景的必然途径。

　　深空物质资源主要富集于月球、火星、小行星等天体，是人类取之不尽、用之不竭的资源宝库，具有广阔的开发利用前景。例如月球、火星和小行星等地外天体含有人类生产、生活所需的氦-3（3He）、钛/铀/钍稀贵金属、水冰等资源，有望催生地外天体采矿、在轨建造、地外基地运营等新兴产业形态，服务人类社会可持续发展。

　　月球是距离地球最近的天体，已探测到的有较大利用潜力的物质资源主要包括氦-3、水冰、稀贵金属矿物等。

　　氦-3是理想的核聚变原料，其与氘核反应既不产生高能中子也不产生放射物质，月球氦-3的总储量约为106t，若实现可控聚变发电可为人类供应数千年能源。月球水冰赋存于极区的永久阴影坑，月球观测和遥感卫星（LCROSS）于2009年撞向南极凯布斯（Cabeus）的永久阴影区，测得该区的水冰丰度为5.6±2.9wt%，据此数据推算，全月水冰总量为108t。月球矿物种类主要有玄武岩（辉石、钛铁矿、橄榄石）、斜长岩（钙长石）、克里普岩等，矿物化学成分主要是二氧化硅（SiO2）、氧化钛（TiO2）、氧化铝（Al2O3）等（表1）。其中，钛铁矿（FeTiO3）分布在月海，静海区域钛含量约为12wt%，贫钛区域钛含量约为1wt%，全月钛铁矿总量约150万亿t；克里普岩（KREEP）主要分布在月球高地，富含钾、稀土元素、磷及钍、铀等放射性元素。

　　火星是太阳系中与地球最为相似的行星，有望成为人类星际移民的第一站。火星含有丰富的大气、水冰与矿物等物质资源。

　　火星大气稀薄，年平均气压约为750Pa（不到地球1%），成分为95.3%的二氧化碳（CO2）、2.7%的氮气（N2）、1.6%的氩气（Ar），以及微量的氧气（O2）、一氧化碳（CO）和水（H2O）。二氧化碳可用于生产含碳化合物、氧气，以及作为金属/二氧化碳火箭发动机的燃料。火星水资源主要以水冰形式赋存于北极冰盖及南极二氧化碳冰盖下方。在中高纬地区，美国“凤凰号”探测器的勘探结果表明，碎石表层下方也存在冻土和少量纯净水冰。中低纬地区，地表或地下沉积层也有大量矿物水。火星水冰总体积预计超过500万km3。火星矿物主要包括页硅酸盐（高岭石、蒙脱石、云母等）、长英（石英、长石、熔料长石等）、碳酸盐（六水方解石、文石、铁白云石等）、硫酸盐（黄钾铁矾等）、镁铁质（橄榄石、辉石、斜辉石、单斜辉石等），以及石膏、高氯酸盐和其他盐类。从化学成分来看，与地球、月球及部分小行星相似，火星土壤主要是二氧化硅、氧化铝、氧化镁等成分（表2）。

　　太阳系中小行星根据轨道分为火星和木星轨道之间的主带小行星和近地小行星，其中，主带小行星数量超过50万个。根据光谱特性，小行星分为C型、S型、M型等。C型小行星主要含碳以及水合矿物，数量占比为75%；S型小行星主要含硅、铁、镁等，数量占比为17%；M型小行星主要由铁、镍构成，部分M型小行星富含铂、钴、铑、铱、锇等珍稀金属，相比于C型、S型小行星，此类小行星数量较少。以M型小行星灵神星为例，其直径约为200km，是迄今为止太阳系中质量最大的一颗小行星，其95%以上物质是金属，预计含5亿亿吨铁、5千万亿吨镍以及数亿吨其他稀有金属。美国计划2023年10月发射“灵神星”探测器，对其形成演化、地质特征、物质组成等开展研究。

　　太阳系中其他星球也含有丰富的资源，例如，木星、土星含有氦-3，天王星、海王星有氢、氦、甲烷，木卫二有液态海洋等。上述星球距地球遥远、环境极端、能源获取困难，因此考虑到技术难度和经济性，月球、火星、近地小行星的物质资源利用方案具有较高可行性。

　　为降低星球基地、科研站运行成本，提高自主性和可靠性，减小运行风险，主要航天国家纷纷围绕挥发分开采利用、星球大气资源利用、矿产资源开采冶炼、星表原位制造建造等技术开展了研究，并且实现典型技术的在轨验证。

　　挥发分指固体样品中通过撞击、加热等物理过程，能够以气相方式从样品中脱离的物质成分，比如月球氦-3、水冰、硫化氢，火星水冰，小行星水冰等。其中，氦-3和水冰最具代表性，氦-3可作为核聚变燃料，提供能源；水冰可为深空探测活动提供生命保障物资，还可以制备氢气、氧气等燃料，以支持人类进一步探索更远深空。

　　早在1985年，美国阿波罗（Apollo）任务带回的月球样品中就已发现氦-3。研究认为，氦-3溶解在月壤颗粒中，高温加热提取氦-3耗能高、速率慢。“嫦娥五号”样品的研究发现，月壤玻璃层中存在大量直径5~25nm的氦气泡，且大部分气泡都位于钛铁矿月壤颗粒表面的玻璃层与晶体的界面附近（图1），因此使用机械破碎法就可以在常温下提取以气泡形式储存的氦-3。

　　针对月面浅表层或次表层的水冰资源开采，蜜蜂机器人公司（Honeybee Robotics）提出了潜入式挥发分提取装置（MISWE）（图2（a）），将机具以螺旋钻进的方式钻入月壤，再通过冲击破碎或回转切削将月壤颗粒转移至加热装置，实现水汽提取。2019年NASA支持的“创新先进概念”（NIAC）计划中，科罗拉多矿业学院提出原位加热式提取方案，通过太阳能、电加热等方式加热浅表或次表层含冰月壤，水冰受热挥发后通过冷阱装置捕获收集。英国开放大学进行了低温真空条件下低功耗微波月壤水冰提取实验，在25min内，可从含冰模拟月壤中提取60%左右的水分。钱学森空间技术实验室提出光热钻取一体化开发利用方案（图2（b）），并进行了含冰模拟月壤取水地面试验验证，结果表明，针对含水率5wt%的模拟月壤，该装置的水提取速率为30g/h。

　　探测数据表明，火星极有可能存在水冰资源。研究认为，可利用的火星水资源包括两极冰盖中的水冰、火壤中的水分，以及火星大气中的水汽。火壤中的水提取技术与月面取水类似，而针对火星两极的冰盖，可参考地球极区取水的罗德里格斯井（Rodriguez Well）技术（图3），利用大型钻具穿透表层，将地下冰盖融化形成一个液态水池后再进行抽取。虽然该技术可实现火星极区地下水的大规模采集，但能耗较高、效率较低。

　　目前月球或火星水冰开采后的利用主要围绕低重力环境下水的电解制氢氧展开，相关技术已经应用在空间站中物化再生环控和生命保障系统。国际空间站俄罗斯舱段电解制氧装置采用流动碱式电解芯体与静态水气分离器的技术方案，美国舱段使用的是质子交换膜（PEM）电解水制氧装置技术。中国空间站环控生保系统采用PEM电解水技术，同时结合空间微重力环境下气液分离、两相流管理等关键技术，保证了空间站氧气资源100%再生，水资源闭合度提升到95%以上，每年减少上行补给6t，主要技术指标达到世界领先水平。

　　国内各研究团队在新型电解水催化剂探索方面也有较大进展，包括磁控溅射法制备的高熵合金薄膜，价态演化调控镍铁氢氧化物催化剂，以及月壤作为催化剂的探索研究等，都为未来的星壤水冰资源利用提供了新的技术思路。

　　对于有大气的星球，若以大气为原。