中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 我國的深空探測，歷經(jīng)“兩彈一星”時期從無到有的技術積累，到21世紀以來中國探月工程20年的高速發(fā)展，再到新時代以來行星探測工程突飛猛進和近幾年行星科學一級學科的爆發(fā)式發(fā)展，已經(jīng)成長為建設航天強國的一支主要力量。目前，美國、歐洲、俄羅斯、日本、印度，以及一些新興航天機構和企業(yè)紛紛將深空探測目標轉向月球，一場科技制高點爭奪競賽已然開始。與20世紀的美蘇太空競賽完全不同，本輪競賽以月球南極的水冰為新焦點，水資源的開采利用是各方努力的共同目標。探索太陽系的起源和演化、建立可持續(xù)的地外人類駐留地、支撐未來深空探測任務，是人們對月球水的重要作用的關鍵共識，彰顯了這一研究主題在推動構建人類命運共同體方面的重要意義。

月球水研究的2個階段

水是理解太陽系起源與演化的重要線索，指引著人類對地外宜居環(huán)境的搜尋，在行星科學研究中受到極為廣泛的關注。

第1階段。關于月球上是否有水的爭論源自伽利略時代，17世紀初的天文學家使用低倍率望遠鏡觀察月表，認為黑色的區(qū)域被液態(tài)水覆蓋，用“海”“洋”“溪”“灣”等描繪水系形態(tài)的字、詞來命名月表不同區(qū)域。19世紀中葉，人們開始認為月球是干燥且沒有空氣的，隨后又出現(xiàn)了各種理論來反駁這一觀點，甚至有人提出月球背面可能存在水海洋和生命。20世紀30年代開始，科學家通過理論計算和數(shù)值模擬說明了月球上，特別是在極區(qū)的永久陰影區(qū)，有水的可能性。20世紀60—70年代，美蘇太空競賽加強了對月球水的探索，極大促進了行星科學的發(fā)展，增進了人類對月球水的理解。美國在其實施的“阿波羅計劃”6次載人登月任務中，宇航員帶回了381.7千克月球巖石和土壤樣品，但對這些樣品的研究結果沒有顯示出月球水的存在。蘇聯(lián)實施了3次無人取樣返回任務，帶回0.327千克樣品，也沒有獲得確定的月球水存在的證據(jù)。從此，月球無水成為主流觀點。“阿波羅計劃”之后，探月活動進入低潮期，月球水研究的第1個階段宣告結束。

第2階段。該階段始于20世紀90年代，美國的“克萊門汀號”（Clementine）發(fā)現(xiàn)了月球兩極附近永久陰影區(qū)存在水冰的證據(jù)。其后發(fā)射的“月球勘探者號”（Lunar Prospector）的探測結果支持了月球極區(qū)存在水冰的觀點。于是，人們開始把注意力集中在月球極區(qū)。重大的突破出現(xiàn)在2008年，美國學者利用新技術重新分析阿波羅月壤樣品的工作取得進展，找到了明確的水存在的證據(jù)；同期，印度的“月船一號”（Chandrayaan-1）任務搭載的月球礦物學繪圖儀（M3）檢測到了月球表面的羥基/水分子，且在月球極區(qū)尤為富集，重塑了人們對月球水合作用的理解。2009年，美國的“月球隕石坑觀測和傳感衛(wèi)星任務”（LCROSS）進行了月球極區(qū)的撞擊實驗，對撞擊濺射物的觀測分析結果證實了水的存在。隨著這些任務積累的數(shù)據(jù)不斷增多，月球水的研究也逐漸深入，確認了月球上的水比之前認為的要多。到了2020年，美國的平流層紅外天文觀測站（SOFIA）檢測到永久陰影區(qū)之外的水分子，盡管其濃度相對較低（與撒哈拉沙漠上層土壤相似），但它在月球表面的廣泛分布引發(fā)了極大的關注。更為重大的突破來自中國“嫦娥五號”月壤樣品的研究，這些樣品并非取自永久陰影區(qū)，但是分析結果表明含水量和分布范圍都遠超之前的理論估計。這一階段形成的主流觀點是月球上的水普遍存在，月球兩極的永久陰影區(qū)最為富集。

回望4個世紀的探索，人們對月球水的認知跌宕起伏又動人心魄。從遙望的藝術想象逐漸走到行星科學的前沿，每一次技術的進步都帶來觀念的反轉；從美蘇太空競賽到當前的多國競賽，月壤的取樣返回和實驗室分析都是綜合國力和科技競爭的最前線。現(xiàn)在，月球水的分布比半個世紀前認為的更加復雜和動態(tài)，人們對月球的看法已經(jīng)從一顆干燥、荒涼的衛(wèi)星演變?yōu)橐粋€擁有重要資源的天體，特別是水資源，可能支撐人類深空探測走入新時代。探索月球水的歷史進程不僅為我們的行星科學知識增添了重要的篇章，而且凸顯了月球在人類航天事業(yè)中的核心作用。由此而開啟的深空探測新階段將對行星科學、探索宇宙、太空經(jīng)濟，甚至人類文明的發(fā)展進程都會產(chǎn)生深遠的影響。

聚焦水資源的月球探測全球競爭

尋找月球水是現(xiàn)代深空探測中最雄心勃勃的挑戰(zhàn)之一。隨著人類將活動范圍延拓到地球之外，月球必將成為人類在太空中持續(xù)活動的關鍵基石。月球水至少具有3個方面的重要意義。

科學意義。月球形成之初的大撞擊事件可能導致了全球范圍內(nèi)巖漿洋的形成，水存在于原始巖漿洋中，影響著巖漿的流動性和物理化學性質，對巖漿洋的結晶序列和月殼厚度具有很大的制約作用。水的存在還可以降低月幔巖石的熔點及巖漿的黏度，導致火山噴發(fā)更為活躍和劇烈，由此可見，水是約束月球熱演化歷史的關鍵線索，也持續(xù)影響著月表的地貌特征。由于板塊構造活動，地球表面極少保留太陽系早期的信息，而月球是一個地質時間膠囊，有可能揭示早期太陽系的狀況。月球兩極永久陰影隕石坑中發(fā)現(xiàn)的水冰可能含有古老的有機化合物和揮發(fā)物，月球表面的月壤中可能儲藏了大量來自地球早期的揮發(fā)物，為我們研究太陽系的起源和早期演化提供了獨特的研究資料。因此，獲取月球高精度、高分辨率的水含量及其分布是未來探測的重點內(nèi)容。

經(jīng)濟意義。月球水開采可能產(chǎn)生豐厚的回報。太空采礦的概念已經(jīng)受到關注，水是開采的主要目標，因為它有可能轉化為氫和氧，而氫和氧是有價值的火箭推進劑成分。這將使月球能夠充當航天器的補給站，從而大大降低從地球運送補給品的相關成本。此外，由開采月球水牽引出的技術突破也必然能應用于地球資源的開采、提純、轉化和利用，實現(xiàn)降本增效必然會帶來經(jīng)濟回報。確定水在月球的含量、存在形式和儲存狀態(tài)是水資源開發(fā)與利用的關鍵。

戰(zhàn)略意義。采集和利用月球資源的能力是國家威望和地緣政治影響力的標志。月球上水的存在使其成為一種戰(zhàn)略資產(chǎn)，有能力決定太空中新的聯(lián)盟和競爭。各國都熱衷于利用月球資源來確保其在太空的自主權，并為未來的太空事業(yè)奠定基礎。對月球水的共同興趣可以成為國際合作的催化劑，促進彌合政治經(jīng)濟分歧的伙伴關系。當然，建立國際合作極具挑戰(zhàn)性，這需要一個公認的國際框架來負責任地管理月球資源的開采和使用，涉及解決法律、環(huán)境、道德和地緣政治問題，以防止沖突并確保可持續(xù)與和平利用太空。

認識到月球水的重要性，多個國家的航天機構和實體已加入到定位、評估并最終提取這些資源的全球競賽中。這場競賽將科學研究、經(jīng)濟利益和國家戰(zhàn)略結合起來，推動國際太空合作與競爭的新時代。目前，已公開的主要探測任務包括：

美國。美國正在實施“阿爾忒彌斯計劃”（Artemis）再次載人登月，將在月球南極進行調(diào)查、實驗和采集樣品，建設基地支撐人類在月球表面的長期活動。2024年底，美國航空航天局（NASA）將發(fā)射VIPER（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover）月球車，前往月球南極尋找水冰和其他潛在資源，為確定載人任務的著陸點提供信息，并確定月球資源的開采方式以支持未來的深空探測。另外，NASA還計劃在近期發(fā)射另一項小型創(chuàng)新探測任務“月球開拓者號”（Lunar Trailblazer），該任務將通過環(huán)繞探測專門研究水在月球上的分布情況。

中國。中國探月工程4期計劃中，月球南極被確定為重點探測區(qū)域。“嫦娥六號”計劃于2024年在月球背面的南極-艾肯盆地進行取樣返回；2026年，“嫦娥七號”將以繞、落、巡、撞的方式對月球南極的水資源進行詳細探測；“嫦娥八號”將在2030年之前初步形成長期科學探測與實驗、原位資源利用、科研站長期自主運行等綜合能力，構建國際月球科研站的基本框架。此外，中國已正式發(fā)布了載人探月的初步方案，計劃在2030年前后實現(xiàn)載人登月并進行科學探索。

歐洲。德國航空航天中心的LUWEX項目正在進行月球水的提取和純化技術驗證，進一步推進了月球水資源利用的前景，開創(chuàng)了從月壤中提取水的先河，使其成為飲用、制氧的可行來源，并成為氫基火箭推進劑的重要組成部分。同時歐洲航天局（ESA）還計劃發(fā)射月球揮發(fā)分和礦物測繪軌道器（VMMO），尋找月球南極永久陰影區(qū)的水冰。

印度。“月船一號”軌道器首次提供了月球上存在羥基和水分子的證據(jù)，“月船二號”軌道器的目標是繼續(xù)尋找月球上的水，于2023年發(fā)射的“月船三號”探測器則著陸在靠近南極的月球表面，未來的“月船四號”任務將完成月球樣品的取樣返回。印度與日本合作的“月球極區(qū)探測任務”（LUPEX）計劃在2026年之后向月球南極發(fā)送著陸器和巡視器，進行月球水的探測。

俄羅斯。延續(xù)了蘇聯(lián)Luna月球探測任務，2023年發(fā)射的Luna 25未成功軟著陸；計劃在2027年發(fā)射Luna 26月球軌道器，以研究月球上可用的自然資源；2028年發(fā)射Luna 27月球著陸器，前往月球南極-艾肯盆地，對月球南極的水等揮發(fā)性物質進行探測。

日本。小型登月探測器SLIM（Smart Lander for Investigating Moon）在2024年1月著陸月球表面，實現(xiàn)了月球表面100米以內(nèi)的精確軟著陸，為月球極區(qū)小區(qū)域的精準探測提供了技術支撐。

韓國。2022年發(fā)射了韓國“探路者月球軌道器”（KPLO）調(diào)查月球水冰等資源，繪制永久陰影區(qū)域內(nèi)的反射率圖，以尋找水冰沉積物存在的證據(jù)。

其他。月球探測逐漸邁向商業(yè)化，越來越多的商業(yè)公司也開啟了月球探測任務，進行資源的調(diào)查。例如，美國的Intuitive Machines公司計劃在2024年向月球南極附近發(fā)送2個著陸器，進行水冰的勘測，并從月表以下采集水冰，在2024年2月第1次任務已經(jīng)成功軟著陸月球；Astrobotic公司于2024年1月發(fā)射了“游隼號”著陸器，計劃在雨海西側著陸探測，雖未成功，但尋找月表水是任務制定的重要目標之一；日本的iSpace公司計劃于2024年末發(fā)射月球著陸器和月球車，開展對月球資源的勘探。

可以看到，人們圍繞月球水資源的重要性已經(jīng)形成了普遍共識。尤為值得注意的是，這次科技競賽吸引了國家航天機構以外的商業(yè)公司參與其中。這一方面反映出月球水的經(jīng)濟價值從理論想象過渡到了市場行為，另一方面也標志著深空探測已經(jīng)突破了政府主導基礎研究計劃所特有的中長期性，開始向規(guī)模化和短平快的趨勢發(fā)展。這意味著，搶占深空探測科技制高點不僅需要長期堅持的大型系列任務規(guī)劃，還應有小快靈和時效性強的機動型任務規(guī)劃。

我國月球水探測的形勢分析與建議

當前我國深空探測與行星科學發(fā)展不協(xié)調(diào)

中國探月工程立項以來的20年，取得了舉世矚目的偉大成就。“嫦娥三號”月球探測器首次實現(xiàn)了中國航天器在地外天體軟著陸和表面巡視探測，“嫦娥五號”探測器實現(xiàn)了我國首次地外天體采樣返回，“天問一號”火星探測器一次任務就實現(xiàn)了火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，在火星上首次留下中國人的印跡。深空探測六戰(zhàn)六捷，我國的航天工程技術實現(xiàn)了從人造地球衛(wèi)星和載人航天，到地月系統(tǒng)，再到行星際探測的跨越式發(fā)展。未來我國將繼續(xù)實施探月工程4期和行星探測工程，我國航天工程的步伐將邁向外太陽系，全面開啟建設航天強國新征程。

然而，與航天工程技術輝煌的成就相比，我國的行星科學研究卻還處在起步階段。2021年10月，國務院學位委員會正式批準中國科學院大學行星科學一級學科博士學位授予權。2022年，行星科學正式列入普通高等學校本科專業(yè)目錄。由于學科發(fā)展和人才培養(yǎng)體系的不健全，相應的行星探測前沿技術、行星探測應用與研究平臺、行星科學前沿研究、人才隊伍建設等各方面均不能與深空探測大國的地位相匹配，更無法滿足深空探測強國的需求，凸顯出了戰(zhàn)略布局中的薄弱環(huán)節(jié)。當前，我國深空探測發(fā)展的主要矛盾就是行星科學學科發(fā)展與航天工程技術發(fā)展不協(xié)調(diào)不匹配的矛盾。

習近平總書記指出，“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢”。中國始終把發(fā)展航天事業(yè)作為國家整體發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，始終堅持為和平目的探索和利用外層空間。但放眼當今世界，隨著太空中的信息獲取和態(tài)勢感知對地面軍事活動的信息支援作用越來越強，美國、俄羅斯、法國、澳大利亞等國都相繼成立了太空軍，依托國家級投資和扶持商業(yè)航天，不斷擴大和強化太空軍事力量，搶占未來太空制高點。近年來，美國甚至計劃將太空態(tài)勢感知拓展至地球同步軌道至拉格朗日L2點之間的地月空間，目前正在開發(fā)地月空間監(jiān)視和態(tài)勢感知技術。面對國外這種日益加劇的太空軍事化傾向與我國和平利用太空的發(fā)展理念的矛盾，我們唯有加快搶占相關領域的科技制高點，才能從容應對未來的挑戰(zhàn)。

近年來，有些國家在航天領域對我國采取了工程技術嚴加封鎖、科學研究禁止合作的態(tài)度，同時發(fā)起諸如《阿爾忒彌斯協(xié)定》之類的探月協(xié)議，試圖繼續(xù)長期維持先發(fā)優(yōu)勢，對他國的科技進行圍堵打壓。在這種情況下，走出一條科技自立自強的道路，發(fā)展有中國特色的深空探測事業(yè)，建設有中國特色的行星科學學科，是搶占科技制高點的最佳選擇。

我國的成功經(jīng)驗和優(yōu)勢

20世紀50—60年代，依靠舉國體制優(yōu)勢，我國突破西方國家技術封鎖，取得了“兩彈一星”工程的巨大成功，孕育形成了偉大的“兩彈一星”精神。在“兩彈一星”的帶動下，我國建立了現(xiàn)代化的學科體系，支撐了工程任務的順利實施，培養(yǎng)了連續(xù)堅實的人才梯隊，也把我國的科學研究和技術研發(fā)都帶上了高水平發(fā)展之路。在此過程中，中國科學院形成了規(guī)模宏大、特色鮮明的高水平學科建制化，造就了學科門類豐富、人才儲備雄厚、平臺技術先進的局面，為國家的科技發(fā)展作出了巨大貢獻。

我國實施深空探測工程以來，孕育出了“追逐夢想、勇于探索、協(xié)同攻堅、合作共贏”的探月精神，行星科學從無到有，發(fā)展迅猛。越來越多的行星科學研究者毅然歸國，一批又一批的自然科學研究者把研究領域拓展到行星科學上來。中國科學院大學牽頭建設行星科學一級學科，2019年偕北京大學、香港大學、澳門科技大學等27所高校成立了“行星科學聯(lián)盟”。短短數(shù)年，行星科學學科的研究生和本科生的招生工作迅速在多個研究所和多所大學開展起來。2023年，中國科學院大學為中國首位行星科學博士頒發(fā)了學位證。2021和2023年兩次全國性行星科學會議的參會人數(shù)均超過千人。這一大好局面再次證明了我國科技界和教育界正在傳承“兩彈一星”精神，有決心和能力圍繞國家戰(zhàn)略需求和科學前沿重大問題迅速組建建制化研究團隊，開展建制化科研攻關，搶占科技制高點。

關于我國搶占月球水資源科技制高點的建議

人類航天的發(fā)展總體來看有2個需求：一個是飛向更遙遠的目標，另一個是更貼近目標。1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，低地球軌道（LEO）成為各國必爭之地。截至2023年，已有70多個國家，出于科研、軍事或商業(yè)等各類目的，向地球LEO軌道發(fā)射了超過1萬顆人造衛(wèi)星。2010年前后的年發(fā)射量僅為10—60不等，近年來，隨著發(fā)射技術進步、發(fā)射成本降低和社會效益大幅提升，這一數(shù)字持續(xù)飆升，2020年達到1 300顆，2021年更是超過1 400顆。未來，將有更多人造衛(wèi)星抵達近地球軌道，包括Space X、OneWeb、Amazon和StarNet/GW在內(nèi)的多家機構已經(jīng)提出總數(shù)超6.5萬的LEO衛(wèi)星計劃。LEO衛(wèi)星呈現(xiàn)“星鏈”或“星座”特征，單是盧旺達提出的“Cinnamon”星座中，衛(wèi)星數(shù)量或超32萬顆。

作為人類深空探索的首站，月球的戰(zhàn)略地位、科學意義和商業(yè)價值不言而喻，但月球探測的現(xiàn)狀與此不相匹配。早在人類社會進入衛(wèi)星時代肇始，探測月球已然成為焦點。20世紀90年代以前，總體以美蘇太空競賽為基調(diào)，實施多達91次的月球探測計劃。20世紀90年代以來，中國、美國、歐洲、日本、印度和以色列等國家和地區(qū)實施了約20次探測任務，掀起月球探測第二次熱潮。這次熱潮總體呈現(xiàn)多國參與和國際合作勢態(tài)，將月球水等資源勘查及和平利用作為主要目標。然而，與地球LEO軌道相比，目前在軌的繞月衛(wèi)星屈指可數(shù)，日常的近月軌道衛(wèi)星更是寥寥。沒有能充分利用月球無大氣、便于抵近連續(xù)運行的軌道優(yōu)勢，沒有實現(xiàn)近月軌道（30千米以下）的連續(xù)高分測量，不利于月球資源普查利用，制約探索月球科學規(guī)律。我國應當布局“近月軌道星座化”多學科綜合交叉探測任務，實現(xiàn)星間、星-月和星-地的立體連續(xù)感知，搶占月球資源勘探、環(huán)境監(jiān)測和科學研究科技制高點。

月球探測是人類共同的事業(yè)，行星科學牽引月球探測的進程，而探測技術則是月球探索活動的保障。將月球探索納入“人類命運共同體”框架，建議加強實施中國探月工程，加快推進新任務的論證和立項，積極主導和參與國際月球探測新項目平臺，通過交流和借鑒各國先進技術和經(jīng)驗，共同推動月球和深空探測事業(yè)的發(fā)展。行星科學，作為新興交叉學科，引領月球和深空探測任務的規(guī)劃布局和實施，然而，傳統(tǒng)地學和探測技術已不能滿足深空探測學科交叉綜合性需求。建議依托行星科學的學科建設契機，加大社會科普教育和宣傳力度，廣納人才，持續(xù)推進行星科學“科教融合”，培養(yǎng)行星科學綜合性科技人才和管理人才，為探月工程提供有力的支撐。持續(xù)鼓勵技術研發(fā)和科學創(chuàng)新，推動關鍵技術、理論的突破和應用，進一步提升衛(wèi)星平臺技術、多物理場探測技術和數(shù)據(jù)處理技術，“為人所不為，為人所不能”，加快和平開發(fā)利用月球的進度。

總之，行星科學是系統(tǒng)性交叉學科，其發(fā)展需要從多個方面入手，包括持續(xù)實施深空探測任務、加強技術研發(fā)和創(chuàng)新、加強國際合作與交流、重視科普教育和宣傳、培養(yǎng)專業(yè)人才、鼓勵社會參與和支持等。只有這樣，才能夠更好地推動我國探月和深空事業(yè)的發(fā)展。

展望

展望未來，月球水的爭奪將在未來太空探索中扮演重要角色。它有潛力在太空中孵化新的經(jīng)濟基礎設施，支撐幾代人的科學研究，并為人類文明走向太空奠定基礎。在這場全球競賽中，技術創(chuàng)新蓬勃發(fā)展。國家航天機構、組織、企業(yè)等紛紛致力于開發(fā)和完善用于精確著陸的導航系統(tǒng)、用于探索和取冰的機器人、用于擴展任務的生命支持系統(tǒng)等。我們將在這個時代再次見證“阿波羅計劃”式的溢出效應——深空探測的推動帶來許多突破，滲透到地球的日常生活中。

隨著各國在合作與競爭之間尋求微妙的平衡，前往月球南極的征途已經(jīng)不僅僅是一場科技競賽。它代表著國家的夢想藍圖的水平以及將其實現(xiàn)的能力，體現(xiàn)了人類的探索精神和對進步的不懈追求，無論是在地球、其天然衛(wèi)星還是更遠的地方。月球水資源競賽正在參與塑造深空探測、國際關系和技術創(chuàng)新的未來。我國在這場新的競賽中的進展，依賴于科技、教育、經(jīng)濟、國際合作等各領域的協(xié)同發(fā)展，有了“兩彈一星”精神的傳承，我國倡導的和平發(fā)展理念也將推動世界科技的進步，為人類發(fā)展謀求更大的福祉。

（作者：魏勇、何飛、張輝，中國科學院大學地球與行星科學學院 中國科學院地質與地球物理研究所；林紅磊，中國科學院地質與地球物理研究所。《中國科學院院刊》供稿）