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投票进展：DAO Reviewer 1/0 通 过
赏金总量：40 USD
研究种类：Space Exploration，Moon Mining
原文作者: Тетяна Кошлякова
创作者：Heyyawn@DAOrayaki.org
审核者：Wonder@DAOrayaki.org
原文: The Moon as a source of rare-earth metals
长期以来，大众媒体充斥着关于未来能源资源、洁净水和耕地短缺的可怕警告。但是，现代科技文明的发展还需要其他重要组成部分，而其中一些在地球上难以提取。我们是否能够通过开发我们太阳系的其他天体来解决这个问题？
什么是“稀土"
稀土元素（稀土金属）由元素周期表中的 17 种元素组成，其中包括钪（Sc）、钇（Y），以及 15 种镧系元素：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。在19世纪，这些元素被认为是稀有的（事实上，情况并不完全如此），因此，在历史上将其赋予了“稀土元素”这一名称。而“土”是这些元素的难溶氧化物的古老名称。稀土元素在游离态下，是典型的银白色金属，具有相似的化学性质。铈、镧和钕的需求量最大，而钇是最稀有的元素之一。
地质学家知道近 100 种含有稀土元素的矿物，其中磷酸盐（独居石和氙气石）、氟碳酸盐（基坦石和伊特拉希石）以及氧化洛帕石可以作为原材料。花岗岩风化壳中的粘土矿物也作为工业原料。
为什么需要稀土元素？
今天，稀土对医药和能源领域的许多关键技术至关重要。稀土已经在一百多个行业中找到了自己的位置。这些元素尤其常被用作各种钢和合金的合金混合物，或用作电子设备、磁性材料和点火混合物。在核电站中，它们作为催化剂和蓄氢器出现。它们大多以混合化合物、氧化物和混合金属（一种基于稀土金属的合金）的形式作为裂解石油的催化剂，也用于玻璃、陶瓷和冶金的生产。这些行业几乎占了稀土元素总消费量的 70%。它们也是电池电极、磁铁、核磁共振造影剂的一部分。即使在家用领域，也不能低估这些元素的重要性。今天几乎每个家庭都拥有这些设备：电脑、手机、平板电脑、笔记本电脑等，而它们是制造这些高科技设备和各种小工具的重要组成部分，比如硬盘、扬声器和手机中的钕磁铁。稀土金属的使用使所有这些设备的小型化成为可能。如果没有这些稀土金属，智能手机将会有鞋子那么大，而笔记本电脑的重量将达到 10 公斤。
地球上已探明的稀土元素储量约为 1.2 亿吨。其中大部分储量（约 4500 万吨）都在中国。此外，拥有大量稀土矿藏的主要国家包括印度、澳大利亚、越南和巴西。截至 2018 年，全球的稀土金属产量达到每年近 17 万吨。也就是说，按照目前的生产速度，全球储备能够持续供应 700 年。然而，它们的消费量每年增长10-15%。随着可再生能源在世界范围内变得越来越重要，对这些金属的需求正在增加，并开始超过供应。钕和镨等金属在清洁能源和高科技领域非常重要，特别是随着电动和混合动力汽车的兴起，它们备受关注。考虑到对稀土元素的需求如此之高，再利用的机会有限，美国宇航局专家建议在其他星球或卫星上（比如在月球上）寻找稀土元素。科学家声称，这些金属可能蕴藏有大量的矿藏，这些矿藏的存在可以弥补将提取的原材料运送到地球的成本。
月球岩石
1969 年，美国宇航员乘坐阿波罗 11 号飞船首次登陆月球，并将首批月球岩石样品带回了地球。目前，从月球收集到的最大岩石样本，总质量为 382 公斤，储存在美国宇航局位于位于美国德克萨斯州休斯顿 Lyndon B. Jonson 太空中心的月球样本实验室设施（LSLF）。该中心从 1979 年开始运行，存储了宇航员在六次月球探险中收集到的物质。最有价值的样品（2200 个单位）存放在充满惰性气体（氮气）的手套箱中，储存在一个不锈钢保险库中。所有的仪器和容器都是无菌的。装有样品的箱体通过特殊的通道转移到实验室的其他房间。每年，一个独立的专家小组审查研究人员的新提议，策展人向来自世界各地的 40-50 名科学家发送大约 400 个月球样本。几乎所有的样本都是微型的，其重量不超过一克。在完成研究工作后，必须将它们送回实验室。经过多年的研究，这些样本使得科学家能够了解月球的性质和起源。人们认为，月球形成于大约 45 亿年前，是一颗火星大小的行星与年轻的地球相撞的结果，这导致了碎片和尘埃云强烈地发射到了太空，之后“凝结”成了一个球形物体。已经证实，大多数月球的撞击坑不是火山爆发造成的，而是由小行星和彗星撞击所造成的。陨石、微陨石的不断流动，以及太阳辐射的影响，改变了基岩，形成了一层细粒土壤和尘埃（表岩屑），覆盖了夜间反光体的整个表面。
在其演化的早期阶段，月球是一个液态岩浆球，表面覆盖着薄而坚硬的轻矿物质外壳。随着时间的推移，这个地壳变成了白色的斜长岩，它“漂浮”在岩浆表面，形成了月球高地。后来，由于岩浆的凝固，出现了玄武岩。斜长岩和玄武岩是月球的主要原生岩石。另一种常见的月球岩石，角砾岩，是其他岩石的碎片，通过火山活动的热量粘合在一起。斜长岩（Anorthosite 或 plagioclaseite）是一种火成岩，主要由富含钙的钙碱性长石（常见的是富拉玄武岩，较少见的是安山岩或斜长石）组成，其中含有少量有色矿物橄榄石、辉石、钛磁铁矿、磷灰石等。在地球上，钛、铬、铂族金属以及在某些情况下的稀土金属矿床仅限于斜长岩岩浆复合体。
月球上的稀土金属矿床
人们对我们的天然卫星的兴趣，从上个世纪 80 年代开始逐渐消退。但在发现月球两极附近存在水冰和其他冷冻挥发性化合物矿床的迹象后，兴趣又“升温”了。月球上水的存在将极大地促进月球的进一步殖民化和月球表面矿物的开发。
欧洲航天局（ESA）早在 2003 年就将新千年的第一个自动装置送上了月球。SMART-1 探测器于 2003 年 9 月 28 日发射，在绕月轨道中工作了近三年，之后被转移到与月球表面的碰撞轨道上。日本、印度和中国纷纷效仿。目前仍在运行的最成功的登月任务是美国的LRO（月球勘测轨道飞行器）探测器，它已经在绕月轨道上运行了11年，并向地球传送了月球表面最详细的图像以及许多其他科学数据。
目前，美国（与欧盟合作）和中国正在积极制定载人登月计划。美国宇航局正准备在 2025 年进行一次新的载人登月（美国宇航员上次登月是在 1972 年 12 月）。这项任务被命名为“阿尔忒弥斯计划”，旨在将第一位女性送到月球表面。这次探险的目标也是月球的南极，那里有很深的撞击坑，其底部永远不会有阳光照射，还有一些区域几乎一直都受到光照。太阳能电池驱动的探测器可以在这些地区发挥作用。
美国宇航局的管理层认为，鉴于航天工业得到了巨额投资，在未来几年内，实施在月球上勘探和提取稀土元素的计划完全有可能实施。值得注意的是，资金不仅来自各州和各国家，还来自强大的私营公司（SpaceX、蓝色起源和维珍轨道）。
美国还计划让宇航员在月球上长期驻留。波音和洛克希德 · 马丁公司已经与美国宇航局达成协议，将为月球探测计划制造一种太空运载火箭和太空舱。SpaceX 和蓝色起源公司已经在努力制造载人和载货的登月航天器。由于私营公司的参与，预计美国宇航局实施该计划的费用将不会超过 200 亿美元。蓝色起源公司由世界首富（2019 年）、亿万富翁、亚马逊首席执行官 Jeff Bezos 创立，作为这一合作项目的主要承包商。2019 年 5 月，该公司负责人提出了一个名为“蓝月亮（Blue Moon）”的着陆航天器的项目。根据载人登月的路线图，美国宇航局计划于 2025 年在月球轨道上建造一个名为“门户（gateway）”的小型空间站。由商业组织提供的月球登陆器将被送往“门户”站，它将在那里等待美国宇航局宇航员团队的到来。
与此同时，欧空局的专家们正在开发能够使用 3D 打印技术建造月球基地的技术。英国建筑局 Foster+Partners 加入了这一进程。目前他们正在考虑使用月球土壤作为主要建筑材料的可能性。悬空穹顶的设计已经完成，它将有一个细胞结构，以阻止微流星体和宇宙辐射，并为宇航员提供一个可充气的住所。根据建筑师的说法，建筑物的中空结构让人联想到鸟类的骨骼，它将提供强度和重量的最佳组合。3D 打印技术应该简化探索月球的过程，这使得不需要来自地球的材料和技术供应。英国公司 Monolite 已经推出了一种 D 型打印机，能够从一种物理性质类似于沙子的建筑材料中喷出粘合溶液。3D“印刷品”是逐层创建的。该公司通常使用其打印机制作雕塑和人工珊瑚礁，帮助保护海滩免受海浪影响。在月球环境下，他们计划将月尘与氧化镁混合，并将这种混合物作为 3D 打印的建筑材料。用特殊溶液对其进一步加工，应将成品结构变成类似石头的固体材料。
到目前为止，已经成功地进行了实验研究，以探讨在接近月球的条件下使用 3D 打印机的可能性。来自意大利中部一座火山的玄武岩用作月尘的模拟物。该实验室模拟了太空的真空条件。目前，正在进行进一步的研究，旨在克服温度限制（3D 打印在 +20°C 时效果最好），并为宇航员创造安全条件，以保护他们不吸入月尘，防止其尖锐的颗粒损害肺部及其他呼吸器官。
因此，在人类首次登陆月球表面 50 年后，我们将见证月球研究的另一个“热潮”。也许使用来自地外稀土元素来制造智能手机将变得相当普遍，那么很快我们每个人的口袋里都会有一块“月球碎片”。
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