核心关键词：原位资源利用
当人类的目光从近地轨道投向月球南极与火星荒原，一个根本性的工程矛盾愈发尖锐：每向深空输送一千克物资，都意味着高昂的运载成本与脆弱的供应链风险。原位资源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）的核心理念，正是将探测目的地从“需要克服的环境”重新定义为“可供开采的仓库”。它不追求把珍贵矿石运回地球变现，而是力求让航天员在月球或火星上呼吸到由当地大气或土壤制造的氧气，喝到从极区冰层或矿物中提取的水，甚至用脚下的尘土烧制出居住舱的建材。这一转变，标志着深空探测正从“带足干粮去打卡”的短期访问模式，向“学会在荒野种地生存”的长期驻留范式迁移。
从单向消耗到就地转化：ISRU的逻辑起点
理解原位资源利用的紧迫性，需要回到一个简单的数字事实。当前航天发射成本虽在商业航天的推动下有所下降，但将物资送入深空轨道的代价依然以每公斤数万美元计。如果一座月球基地的氧气、水、推进剂全部依赖地球补给，其运营成本将高到难以维系，且任何一次发射延迟都可能直接威胁驻留人员的安全。原位资源利用改变的正是这一资源链条：它把“从地球携带—使用—废弃”的线性模式，扭转为“当地获取—就地转化—循环使用”的闭环逻辑。
以月球为例，月壤中氧元素的质量占比约为百分之四十，主要以硅酸盐矿物形式存在。这意味着，月球表面最不缺的就是制造氧气的原料——缺的只是从氧化物中把氧“拆”出来的能量与工艺。同样，月球极区永久阴影区内可能存在的水冰，一旦被证实具备可开采的丰度与形态，就将成为饮用水、氧气和火箭推进剂（液氢液氧）的本地来源。火星的情况则有所不同：其大气中二氧化碳占比超过百分之九十五，制氧的原料近乎无限，但如何在高粉尘、低温、低压环境中稳定运行设备，构成了另一类工程挑战。
技术路径的分野：月壤制氧与火星制氧
在月壤资源利用方面，制氧技术路线的成熟度相对较高。NASA的技术成熟度评估显示，碳热还原法从月壤中提取氧气的技术成熟度已达到较高水平。其原理是将月壤加热至约一千八百摄氏度，使氧化物中的氧与碳反应生成一氧化碳，再通过后续的水气变换或电解步骤获得氧气。塞拉太空公司研制的碳热还原反应器已在约翰逊航天中心的真空热试验舱内完成了多次循环测试，单次熔融操作可处理模拟月壤并产出氧气，能量效率指标超出了项目设定目标。另一种备受关注的路线是熔融氧化物电解，将月壤直接熔化后通电，使氧离子在阳极析出。欧洲空间局在2025年举办的“空间资源挑战赛”中，便将熔盐电解从月壤中制氧设定为模拟任务的核心环节，要求参赛团队在模拟月球南极的环境中完成月壤挖掘、粒径分选与电解给料的全流程。
火星方向的标志性验证来自“毅力号”火星车搭载的MOXIE装置。这台微波炉大小的设备在2021至2023年间共运行十六次，累计制得一百二十二克氧气，最高产氧速率达到每小时十二克，纯度不低于百分之九十八。MOXIE的原理是将火星大气中的二氧化碳压缩、加热至约八百摄氏度，通过固体氧化物电解将其分解为一氧化碳和氧气。尽管产量微小，且距离支撑载人任务所需的每小时数公斤级产能尚有数个数量级的差距，但MOXIE在真实火星环境中完成了原理验证：火星大气不再仅仅是需要防护的恶劣环境，它本身就是一座可被加工的原料库。
材料与农业的延伸：ISRU不止于制氧
如果将原位资源利用仅仅理解为制氧，便低估了它对深空驻留的支撑潜力。在建材方向，月壤的另一个用途正在被中国科研团队推进。东华大学的研究人员从嫦娥五号带回的月壤样品中，以熔融拉丝的方式制备出连续纤维，直径与头发丝相当，长度可达数米。2026年5月，首件月壤纤维模拟实验样品搭乘天舟货运飞船进入中国空间站，将在舱外暴露平台接受空间环境验证。这项研究的远期目标，是为未来月球科研站提供柔性结构材料或月壤混凝土的增强相，从而减少从地球运输结构材料的质量。
在生命保障的更高层级——食物生产方面，欧洲空间局的Discovery项目资助了一项利用月壤模拟物制备植物营养液的研究。挪威团队采用水培思路，通过机械、化学与生物处理的组合，从月壤模拟物中提取磷等植物必需元素，同时去除对植物有害的成分。研究还发现，即便从其他ISRU过程（如金属氧化物提取）产生的副产物中，仍可回收利用营养元素。这意味着，未来的月球农场未必需要“土壤”，但确实需要一套与制氧、制建材共享原料与废物流的化学工程体系。
系统集成与尚未解决的难题
单项技术的突破固然重要，但原位资源利用的真正价值在于系统层面的耦合。中国科学技术大学团队在2026年提出的“火星原位能源站”概念，便试图将二氧化碳捕集、制氧、燃料合成与能量储存纳入同一框架：火星大气中的二氧化碳既作为热功转换的循环工质，又作为制氧与合成甲烷的碳源，而太阳能或核电源则为整个链条提供驱动力。这种“一源多用”的思路，揭示了ISRU从单点设备走向基地级基础设施的演进方向。
然而，客观地看，绝大多数ISRU技术仍处于原理验证或工程样机阶段，距离在真实地外环境中长期可靠运行还有显著距离。月壤挖掘与给料的自动化便是被低估的难点：月尘具有极强的磨蚀性，且在真空中容易附着于运动部件；熔融电解所需的高温环境对反应器材料提出了苛刻要求；火星制氧设备则需要应对季节性尘暴与极端温差。更为根本的问题是，任何ISRU过程都需要初始的“种子”物资与能量输入——催化剂、反应气体、太阳能电池板本身仍需从地球运来。ESA的项目负责人也坦言， astronauts仍然需要携带部分反应物来“启动”资源利用的链条。ISRU减少的是长期补给的质量，而非完全消除对地球的依赖。
结语
原位资源利用的深层意义，不在于某一台制氧机产出了多少克氧气，而在于它改变了深空探测的底层经济学与风险结构。当氧气、水与建材可以在目的地获取，航天员驻留的时间尺度便不再受限于补给飞船的发射窗口，基地的扩张也不必等待下一次货运任务。从MOXIE在火星上的一百二十二克氧气，到月壤纤维在空间站舱外的暴露试验，这些看似微小的进展，共同指向一个更为务实的未来：人类在深空的存在，将不再是一场需要从地球搬去全部家当的远征，而是一次学会利用脚下与头顶资源的定居。
相关问题与回答
1. 原位资源利用与地球上的循环经济有何关联？
两者共享“减少外部输入、延长资源使用周期”的核心逻辑。地球上的循环经济关注废物再生与资源效率，深空ISRU则在此基础上增加了“当地获取”这一维度，将目的地环境本身纳入资源供给体系。
2. MOXIE已经证明了火星制氧可行，为什么不能直接放大用于载人任务？
MOXIE的产氧速率仅为每小时十二克，而一名航天员每日呼吸消耗的氧气约需数百克至近千克，加上推进剂需求则更大。放大需要解决压缩机、电解池堆、热管理系统的尺寸与功耗问题，同时还需配套氧气的液化与储存技术，这些均未经过飞行验证。
3. 月球极区的水冰为什么被认为是ISRU的关键目标？
水既可饮用，也可电解为氧气和氢气，氢气与氧气组合即是火箭推进剂。若月球极区存在可开采的水冰，月球基地的推进剂补给便可能摆脱对地球的依赖，从而支撑更远的目的地（如火星）的中转任务。
4. 月壤制氧技术目前成熟度最高的是哪一种？
根据NASA的技术成熟度评估，碳热还原法在月壤制氧各路线中处于领先位置，其反应器已在真空与热环境下完成多次循环测试，单次熔融操作可产出可观氧气量。熔融氧化物电解的成熟度稍低，但也在快速推进中。
5. 用月壤制造纤维有什么用途？
月壤纤维可用于增强月球混凝土、制作柔性结构材料或隔热层。其核心价值在于减少从地球运输建材的质量。目前该技术仍处于基础验证阶段，空间站暴露实验旨在获取辐照与温差环境下的性能数据。
6. 在月球上种菜，肥料从哪里来？
欧洲空间局资助的研究表明，月壤模拟物中的磷等元素可通过化学处理提取到水溶液中，制成水培营养液。但需要严格控制有毒元素的溶出，且植物生长所需的其他元素（如氮、钾）可能需要部分来自废物循环或地球补给。
7. ISRU能完全消除从地球运输物资的需求吗？
不能。至少在可预见的未来，精密电子设备、特种材料、药品以及部分催化剂仍需从地球运来。ISRU的目标是削减那些质量大、消耗快、易于就地替代的物资（如水、氧气、推进剂、建材原料）的运输量，而非实现绝对自给。
8. 小行星的资源利用与月球火星ISRU有何不同？
小行星ISRU更多指向金属资源（铁、镍、铂族元素）的提取，且面临微重力、高真空、未知表面特性等特殊挑战。激光采矿等非接触式方法正在研究中，但整体成熟度远低于月壤制氧，更偏向远期概念。