《Agriculture》：ISRU and ISFR Science and Technology—A Review of the Last 15 Years
Giacomo Cao,
Alberto Cincotti,
Alessandro Concas,
Antonio Depau,
Giacomo Fais,
Nicola Lai,
Roberta Licheri,
Antonio Mario Locci,
Selena Montinaro and
Gabriele Traversari
+ 1 author
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这篇综述系统梳理了2010-2025年原位资源利用（ISRU）与原位制造修复（ISFR）的核心进展，聚焦月球、火星等天体环境下的资源提取（氧、水、燃料）、原位制造（增材制造、焊接）及生命保障系统，强调两者耦合对长期太空任务的支撑作用，为可持续深空探索提供技术路线图。
原位资源利用（ISRU）与原位制造修复（ISFR）是未来深空探索的两大支柱，二者紧密耦合，共同目标是减少对地球补给的依赖，实现地外长期驻留与任务自主化。这篇综述聚焦过去15年的科学与技术突破，覆盖月球、火星及小行星环境，从资源提取到原位制造，再到系统集成与挑战分析，勾勒出一幅完整的地外生存技术图谱。
ISRU研究和技术
氧提取
氧是生命保障与推进剂的核心资源，提取路径分为水基与月壤基两类。水电解技术在月球极区永久阴影区（PSRs）潜力显著，但微重力下气泡脱离受抑制——Lomax等实验显示，月球与火星重力下氧产量较1g分别降低11%与6%，因浮力驱动的气泡分离机制失效。Akay等通过磁场辅助策略，使微重力下氧泡去除效率提升240%，为紧凑型系统设计提供新思路。
月壤基氧提取则依赖金属氧化物还原，熔融月壤电解（Molten Regolith Electrolysis）与氢化学还原是主流。Schwandt等对比多种方法后指出，熔融电化学工艺适用于月海与高地月壤，即使极区水冰被证实，非极区氧生产仍具战略意义。Lomax等采用Metalysis FFC工艺处理月壤模拟物，成功去除96%的氧，获得混合金属合金，仅1/3氧进入尾气，其余为反应器腐蚀损耗，优化后可实现近完全回收。氢还原反应（FeO + H2→ Fe + H2O）需900°C以上高温，虽能量密集，但可与电解结合形成闭环，适合极区资源利用。
水提取
水是地外最关键的战略资源，月球水主要存在于极区永久阴影区（PSRs）的冰质月壤（ILR）中，温度低至40K，太阳能匮乏。Zhang等提出太阳能热提取方案：聚焦太阳光加热冰质月壤，释放水蒸气后冷凝收集。Mazzotti等则开发镅-241放射性同位素电源（RPS）驱动的月球冰开采车，利用衰变热使冰升华，通过冷阱捕获挥发物，模拟显示含水率0-10vol.%时均可行。
月壤力学特性直接影响钻探设计：Pitcher等发现，NU-LHT-2M模拟物含水率5±1%时贯入阻力显著增加；Liu等进一步建立干密度、温度（-240至-10°C）与单轴抗压强度（UCS）的非线性关系，饱和条件下强度最高，为钻探系统设计提供量化依据。
燃料生产
原位推进剂生产可大幅降低深空任务发射质量。月球上，Sun等发现嫦娥五号带回的月壤碎片可通过光热催化，利用太阳能将水与二氧化碳转化为氧气与甲烷，实现“地外光合作用”。过氧化氢（H2O2）与月壤金属（铝等）也被探索作为简化推进剂体系。
火星则以萨巴蒂尔反应（CO2+ 4H2→ CH4+ 2H2O）为核心，生成甲烷燃料，水电解回收氧，氢循环利用。反向水煤气变换（RWGS）反应（CO2+ H2→ CO + H2O）侧重氧生产，400°C下铁铬催化剂即可高效运行。MOXIE实验已验证火星大气CO2高温固体氧化物电解制氧的可行性。此外，磁铁矿/方铁矿（Fe3O4/FeO）氧化还原循环可将热解温度从2500°C降至两步反应，利用火星赤铁矿（Fe2O3）还原为磁铁矿，再与水/CO2反应生成氢/一氧化碳，进一步降低能耗。小行星资源开发则聚焦碳质小行星的热解，释放水与挥发性有机物，用于制氧、燃料及聚合物合成。
生命保障系统
水与氧的管理是长期驻留的核心。国际空间站（ISS）采用水电解制氧，而ISRU框架下，水不仅是消耗品，更是氧生产、植物生长、辐射屏蔽及工业原料的枢纽。Brewer等提出太阳能聚光反应器，垂直聚光器加热下落月壤颗粒，实现氧提取与金属生产，熔渣可用于挤出成型制造结构部件，兼具储能功能。Finger等开发集成纯化系统：污染水蒸气经冷阱冻结分离，加热后通过离子膜技术提纯，直接供给生命保障系统。
ISFR研究和技术
ISFR聚焦地外环境下的制造、维护与修复，技术成熟度普遍低于ISRU，多数处于实验室验证阶段（TRL<5）。全球月球基地建设计划（如意大利Artemis舱、韩国2045月球基地、中国ILRS）推动了对真空、低重力、极端温差下建造技术的需求。
月壤基材料与增材制造
材料开发方面，Mukbaniani等将人工火星土壤（AMG）与四乙氧基硅烷（TEOS）改性环氧树脂复合，提升强度、柔韧性与耐水性，适合火星表面建筑。Soureshjani等评估11种火星水泥配方，通过多准则决策筛选出最优体系，兼顾力学性能、资源可及性与辐射抗性。小行星采矿可提供铁、镁、铝等金属，铂族金属（PGMs）需富集处理，减少地球运输质量。
增材制造（AM）是ISFR核心。Meurisse等利用太阳能烧结月壤模拟物，自然光因大气波动导致烧结不均，氙灯稳定热源下成功制备首块3D打印砖，抗压强度<5MPa，孔隙率高、层间结合弱，优化热梯度后性能提升。中国开发抛物面反射镜+光纤聚光系统，聚光比超3000×，达1300°C熔融温度，可去除挥发分回收水氧，制备高密度结构砖，用于栖息地屏蔽与道路建设。微波烧结则通过偶极阵列体积加热，摆脱太阳能依赖，但增加系统复杂度。
小型部件制造中，Divis等用熔融沉积成型（FFF）打印聚合物工具，测试颗粒材料性能，与传统金属仪器偏差<5%，兼具轻量化与低成本优势。Townsend等设计紧凑型3D打印头，集成储料、搅拌、挤出与温控，兼容玄武岩模拟物与热塑性粘结剂，适配机器人平台。
栖息地概念
月壤砖主要作为防护层，抵御微流星体与辐射，需与刚性结构与充气模块结合。中国计划2035年前在南极建站，2040年扩建，砖样品已在天宫空间站接受真空、辐射与热循环测试。Regishell充气栖息地概念采用轻质可展开结构，部署后喷涂碱激发粘结剂与月壤混合物硬化，增强机械强度。光谱自适应吸收/发射器可动态调节光热转换与辐射冷却，提升能源利用效率。
太阳能电池生产
月壤含硅、铝、玻璃等光伏材料，真空环境利于薄膜沉积，但工艺控制难，转换效率仅5-10%，辐射与热循环可致寿命期内效率下降30%。Ellery提出菲涅尔透镜+热离子转换方案，效率达15-20%，但高温操作挑战大。
无损检测（NDE）
地外制造需结合过程认证与部件验证：地面预认证工艺参数，在轨通过热成像、激光扫描、超声等技术监测，减少破坏性测试。Bassler等强调，需考虑低重力、材料纯度波动等因素，通过预设验收标准判断修复或重制需求。
自动修复技术
自动修复技术（ARTs）成熟度最低，分为替换与修复两类，依赖NDE反馈。需应对材料异质性、机器人操作精度及能源限制，支持栖息地、能源系统的持续维护。
焊接与连接技术
焊接是结构组装的关键，早期苏联与美国已验证电子束、等离子弧焊在微重力下的可行性。近期聚焦电弧与激光焊的稳定性：Cho等研究显示，气体空心钨极氩弧焊（GHTA）可在抛物线飞行中稳定焊接铝钛合金。脉冲激光焊（LBW）能量密度高、热影响区小，在微重力下气孔更小更圆，抑制熔池对流，适合航空航天合金（Al 2219、Ti-6Al-4V、316L不锈钢）。
批判性分析
核心成果总结
过去15年，ISRU在月壤熔融电解、水电解微重力效应、火星萨巴蒂尔反应等方面取得突破；ISFR验证了月壤烧结、聚合物工具打印、激光焊等技术的可行性。NASA、ESA、CNSA外，俄罗斯Luna-25、日本MMX、印度Chandrayaan计划均推动资源勘探全球化。
现存挑战
能源效率是首要瓶颈，电化学与热处理需持续高功率，PSRs太阳能受限。长期耐久性未经验证，辐射、粉尘、热循环加速材料退化。系统集成不足，多数技术停留在单元验证，缺乏闭环耦合。标准化缺失导致性能对比困难，数据差异源于实验条件与原料波动。火星高氯酸盐、过氧化物可能影响化学反应与材料稳定性，需深入研究。
未来研究方向
优先发展集成化系统，将资源提取、制造、修复纳入统一框架，提升能源效率与自主性。加强微重力、真空、极端温度下的实验验证，通过机器学习优化过程控制与故障预测。推广循环资源策略，回收废料与副产品，构建闭环生态系统。探索新兴技术如原位太阳能电池、冷烧结、磁流体辅助电化学，以及3D生物打印在再生医学中的应用，为长期驻留提供生物材料支持。
ISRU与ISFR是实现月球、火星可持续探索的互补支柱。尽管概念验证已完成，未来十年需转向集成化、鲁棒性系统开发，为地外工业与基础设施奠定基础。
