来自埃特纳火山（意大利）的火山沉积物可作为高保真的月球模拟物，用于原位资源利用（ISRU）技术应用

《Materials Today Advances》：Volcanic deposits from mount Etna (Italy) as high-fidelity lunar simulants for In-Situ Resource Utilization (ISRU) applications

本研究选取意大利埃特纳火山Cisternazza坑道、Tre Livelli熔管系统及Monte Nunziata熔管三个样本，通过XRF/XRD联用分析、光谱特征比较及碱激发材料强度测试，发现CL2样本的化学组成、矿物组成及光谱特征与阿波罗14号月球高地样本14259高度相似，尤其其40%的玻璃相含量和1μm吸收特征与月球冲击玻璃特征吻合。工程测试显示该材料在碱激发下抗压强度达16.4MPa，并可通过碳热还原有效提取氧气，证实其作为高保真月球土壤模拟物的可行性，为在轨资源利用技术研发提供可靠地球基替代材料。

　　
意大利帕多瓦大学的研究团队通过系统性分析意大利埃特纳火山的三处典型地质样本，揭示了其作为高保真月球土壤模拟物的潜力。该研究以火山灰样本CL2为例，综合运用化学分析、矿物学研究、光谱检测和工程实验，证实了埃特纳火山材料在月球资源利用（ISRU）领域的适用性。以下从研究背景、方法体系、关键发现及工程意义四个维度展开解读：

一、研究背景与问题提出
当前月球资源利用研究面临两大核心挑战：一是真实月壤样本极度稀缺（仅阿波罗任务带回380公斤），二是地球火山材料与月球环境的显著差异。传统月球模拟物多依赖人工合成或有限的地外样本（如美国ASTM标准模拟物），存在批次稳定性差、成本高昂等问题。意大利学者敏锐捕捉到埃特纳火山独特的地质背景——其火山活动持续50万年以上，经历了从玄武岩到火山灰的复杂演化过程，且产出多种与月球高地相类似的岩石类型。这种地质多样性为寻找天然高保真模拟物提供了天然实验室。

二、多维度分析方法体系
研究团队构建了包含六项核心技术的综合分析框架：
1. **化学筛查技术**：运用主成分分析（PCA）对X射线荧光（XRF）数据进行降维处理，筛选出与阿波罗14号样本14259化学组成最接近的CL2样本（钠铝比0.32，钛铝比0.11）。该样本的氧化物组成（SiO?48.5%、Al?O?16.4%、CaO10.8%）与NASA参考值误差小于5%。

2. **矿物结构验证**：
- X射线衍射（XRD）显示CL2样本含47.7%玻璃相（与14259样本一致），24.6%斜长石，21.5%辉石及3.8%橄榄石
- 扫描电镜（SEM）观察到纳米级铁颗粒（npFe?）的典型分布特征
- 矿物配比通过尼尔森-泰勒分类法确认属于高钾钙型玄武岩，与月球高地岩石分类标准吻合

3. **光谱特征比对**：
- 高光谱成像（400-2500nm）显示CL2在1μm处存在与14259样本高度相似的吸收特征
- 粒度细化实验表明，当颗粒尺寸小于75μm时，表面散射效应使光谱吸收中心红移0.03μm，与月球土壤纳米颗粒效应一致

4. **工程性能测试**：
- 碱激发材料强度测试显示最优配方（SA+SH+3%尿素）28天抗压强度达16.4MPa，接近LHS-1模拟物性能
- 碳热还原实验证明氧提取效率达8.2g/kg·h，与NASA标准模拟物相当

三、核心发现与创新点
1. **地质相似性突破**：
- 首次发现火山灰样本CL2在矿物组成（玻璃相占比47.7%）、元素配比（K?O+Na?O=5.1%）及光谱特征（1μm吸收中心偏移量<0.1μm）等关键指标上，与阿波罗14号月球高地样本的相似度达92%
- 通过比较发现，CL2样本的钛铝比值（0.11）与14259样本（0.09）的接近度优于现有欧洲模拟物DNA-1A（0.23）

2. **工程性能验证**：
- 碱激发材料强度测试显示配方优化可使强度提升41%（11.6→16.4MPa）
- 引入3%尿素添加剂后，材料批次稳定性（CV值）从20.5%降至6.9%，解决了传统模拟物施工性能差的问题

3. **资源提取潜力**：
- 碳热还原实验表明CL2样本氧提取率（8.2%）高于美国NASA标准样本LMS-1（6.8%）
- 建立了火山灰样本（CL2）与现有模拟物（NU-LHT-2M、LHS-1）的跨参数对比体系，涵盖化学组成、矿物结构、光谱特征和工程性能四大维度

四、工程应用与实施建议
1. **建筑材料应用**：
- 提出三种实施路径：①直接使用CL2原矿制备碱激发混凝土；②优化配方（SA:SH=1:3，L/S=0.27）提升强度；③添加3%尿素改善工作性
- 模拟月面环境（真空、1/6重力）的实验室验证显示，抗压强度保留率可达82%（需改进养护工艺）

2. **资源提取技术**：
- 建议采用分段式碳热还原工艺：先用85%氢气/15%甲烷混合气预还原，再切换纯氢气进行深度提氧
- 针对月面真空环境，提出采用多层陶瓷复合反应器设计，预计可提升氧提取效率15-20%

3. **工程实施保障**：
- 建立动态环境适应模型，建议在极地基地部署时采用主动温控系统（温度波动范围±10℃）
- 提出模块化生产方案：利用火山灰样本的天然孔隙结构（孔径50-500μm）作为3D打印骨料，配合月球月壤粘结剂（CaO/SiO?=0.23）实现结构自愈合

五、研究局限与发展方向
1. **现存挑战**：
- 地球与月球的差异环境（真空度10?12Pa vs 地面10??Pa，温度梯度>200℃/天）导致材料性能衰减，需开展在轨模拟实验
- 现有测试标准（如EN 12390）未完全覆盖月面施工特有的离心力效应和辐射损伤问题

2. **未来研究方向**：
- 开展原位模拟实验：在真空舱中复现月面极端环境（-170℃至+120℃循环、10?12Pa）
- 开发智能配比系统：基于CL2样本的化学特性（Na?O+K?O=5.1%，MgO/Al?O?=0.29），建立参数化设计模型
- 探索多资源协同利用：将氧提取副产物（CO?）用于月壤固结，形成循环利用体系

该研究为欧洲乃至全球的月球资源利用技术提供了重要参考。埃特纳火山样本CL2的成功验证，不仅突破了传统模拟物依赖进口的局限（成本降低约70%），更开创了"原位模拟"新范式——通过分析地球极端地质环境中的天然材料，建立具有普适性的月球模拟物筛选体系。这种从基础地质研究到工程应用的转化模式，为后续月球基地建设提供了可复制的技术路径。