0 引 言
水资源是人类实现地外生存的战略性资源，水资源原位获取与转换利用是提升深空探测能力的关键手段[1-2]。随着地外天体表面遥感探测技术的不断发展，人类所获得的月球、火星及近地行星表面水资源存在的证据越来越充分。例如，美国等国家利用雷达、中子探测仪和光谱仪等多种探测手段，证实了月球极区赋存大量水冰等挥发分资源，并推测水冰可能以局部分散式地分布在表层至米量级深度的范围[3-5]。在火星表面，一些轨道探测器（如火星快车号、火星勘测轨道飞行器）通过光谱分析确认了极地冰层中存在水冰，火星的北极和南极存在由水冰和干冰（固态二氧化碳）组成的永久性冰盖已经得到确认[6-7]。目前，小行星表面水冰的直接证据有限，部分碳质小行星的光谱在3微米波段显示羟基（-OH）吸收带，表明其表面或内部存在水冰或含水矿物（如层状硅酸盐）[8-9]。然而，水冰资源在星壤中的赋存形式复杂，且由于地外天体表面环境极端，涉及高真空/低压大气、低/微重力、低温条件等因素，水冰资源原位开采和提取难度较大。
为此，本文提出了基于微波加热的含冰星壤水资源提取方法。微波可以直接加热水分子，不受颗粒本身属性和赋存深度的限制。但是，微波加热含冰星壤提取水资源的方法仍不成熟，需要深入研究微波加热含冰星壤水资源提取过程的参数规律，获得水资源提取能量效率和水资源收集速率等关键数据，以提升技术成熟度，为实施规模化水冰提取奠定技术基础。本文建立了微波加热含冰月壤的实验系统，制备了含冰模拟月壤样品（Lunar Regolith Simulant，LRS），重点研究微波加热含冰月壤水资源提取与收集技术方法，并测试了在不同微波加热参数和月壤样品性质参数条件下水资源的提取过程规律，充分验证了该技术方法的可行性。
1 研究方法
1.1 低温含冰模拟月壤样品制备
为便于开展实验测试，制备了低温含冰模拟月壤样品。依据目前采样返回样品的成分特征，采用了斜长岩和玄武岩作为模拟月壤的主要材料。配置的模拟月壤样品矿物和化学组分如图1 所示，主要包括以Si、Al、Na、Ca等元素为主的矿物。进而，采用筛分法测试了模拟月壤的粒度分布，结果显示其粒度主要分布在400.0 μm以下，颗粒平均直径为55.5 μm，颗粒真密度为2.7 g/cm3，堆积密度为1.47 g/cm3，干模拟月壤颗粒的原生含水率约为0.27%。此外，采用DSC蓝宝石法测试了模拟月壤颗粒的比热，测试区间为−170~220 ℃，结果如图2 所示。在−100 ℃~100 ℃的温度区间内，模拟月壤的比热容几乎呈线性分布，拟合结果为：
式中，Cp为颗粒比热容，单位为J/(kg·K)；T为颗粒温度，单位为℃。
采用混水法制备含水模拟月壤，具体步骤如下：取100 g干模拟月壤颗粒，加入5 g纯水，计算得出含水率为4.8%。将干模拟月壤颗粒和水分充分搅拌均匀后，使用三轴制样器将其压制成圆柱体样品。压制后的样品尺寸为直径d=39.1 mm、高度H=46.0 mm。根据重量计算，样品的密度为1.9 g/cm3，具体参数见表1 。配置完成后，通过测试验证了样品在纵向的含水率分布，结果为（4.8±0.3）%。由于颗粒较细且密实度高，重力对水分沉降的影响不明显。将制备好的样品进行封装包装后，置于低温冰箱内冷冻，以防止水分流失。冷冻温度设定为−80 ℃，冷冻72 h后，即完成了低温含冰模拟月壤样品的制备。
表 1 标准模拟含冰月壤制样参数Table 1 Parameters of standard icy lunar regolith sample cylinder |
| 干样品质量/g | 初始含水率/% | 样品直径/mm | 样品高度/mm | 样品密度/(g/m3) |
| 100 | 4.8 | 39.1 | 46 | 1.90 |
以上为标准样品的制备流程，其他样品在上述标准样品的基础上作参数调整。本文配置了不同含水率、不同压实密度的含冰模拟月壤样品。
1.2 微波加热实验系统
微波加热实验系统上配置了控制软件和操作控制台，可用于设定微波参数（包括微波功率、加热温度、加热时间），控制微波的启动和停止，反馈并记录热电阻采集的样品温度，并存储相关数据。为防止样品水分蒸干后微波损坏磁控发生器，样品加热腔内放置了碳化硅吸波片，用于吸收多余微波，从而保护微波加热实验系统内部的各类器件。
2 实验过程
2.1 实验流程与工况
实验的主要流程如下：
（1）实验开始前，开启微波加热实验系统冷凝器的循环冷却机，将冷凝器温度降至预设的5 ℃。
（2）开启微波加热实验系统，并根据实验工况表设置实验参数。
（3）从冷冻冰箱中取出冷冻的低温含冰月壤样品，称重并记录其初始质量(G0)。
（4）将低温含冰月壤样品放入加热腔，将热电阻插入样品顶部的小孔内（孔径为3 mm，深度为15 mm），控制台即可实时显示样品内部的温度(Tsample)。
（5）关闭加热腔，启动磁控微波发生器，对样品进行加热。同时开启气体循环泵，及时将蒸发的气体带离加热腔。
（6）蒸汽在冷凝器中冷凝后流入液体收集器。当微波发生器达到设定的加热温度和时间后，会自动停止。蒸汽冷凝收集过程结束后，读取液体收集器内收集的水分体积，并计算质量(m1,water)。
（7）打开加热腔，取出实验后的模拟月壤样品，称重并记录其最终质量(Gf)。
（8）测试样品的残余水分分布情况。将实验后的样品按图3 （c）所示的方式进行分解，高度方向上分为四层，横向方向分里侧和外侧两部分。对每一区域内的颗粒取样、称重后，放入105 ℃的恒温干燥箱内烘干3 h以上。烘干结束再次称重，并计算区域残余含水率。
（9）处理微波加热实验系统控制台内存储的实验数据，获得微波实验加热功率、样品实时温度变化曲线等。对数据进一步分析，获得微波能量输入、物料吸热量、水资源提取率、水资源收集率和总能量效率等，具体数据处理方法见第2.2节。
首先，确定微波加热系统的加热模式、实验结果的可靠性和数值误差。由图4 和图5 可知，微波实验系统启动后，首先输出固定功率的微波，样品吸热开始持续升温，处于升温阶段。当热电阻测到的样品温度达到设定的目标温度时（此工况为75 ℃），进入恒温加热阶段。在此阶段内，为维持样品温度，微波间歇性启动，样品温度在加热温度附近上下波动，直至设定的恒温加热时间结束。从图5 可以看出，在相同的加热功率和加热温度下，不同样品经历的升温过程具有较好的重复性，只是随恒温时间的延长，整个实验阶段相应延长。此外，实验中样品重量称量采用电子天平，精度为±0.1 g；水分称量采用精密天平，精度为±0.1 mg；热电阻测温精度为±1.0 ℃。由于实验重复性较好，测试过程精度可控，可以认为微波加热水冰提取及数值分析过程是可靠的。
在此基础上，本文设计了实验工况和参数变化，如表2 所示。其中，基本工况采用标准样品，初始含水率为4.8%，设定的微波加热功率为600 W，最终加热温度为75 ℃，恒温时间为120 s。进而，重点研究微波参数的影响和样品参数的影响。在基本工况的基础上，按单一参数变化调整微波参数，包括微波功率（400~1 000 W）、加热温度（60~105 ℃）和恒温时间（120~600 s）。对于样品参数，主要调整初始含水率（2.0%~13.8%）和样品压实密度（1.59~2.08 g/cm3）。
表 2 实验工况和参数变化Table 2 Experimental cases and parameters |
| 实验目的 | 样品参数 | 微波参数 | |||
| 含水率/% | 压实密度/(g/cm3) | 微波功率/W | 加热温度/℃ | 恒温时长/s | |
| 基本工况 | 4.8 | 1.90 | 600 | 75 | 120 |
| 微波参数的影响 | 4.8 | 1.90 | 400, 600, 800, | 60, 75, 90, 105 | 120, 300, 600 |
| 样品参数的影响 | 2.0, 4.8, 7.4, 1.7, 13.8 | 1.59, 1.90, 1.99, 2.08 | 600 | 90 | 120 |
2.2 数据处理方法
（1）微波输入总能量为：
式中，Wheating为升温加热阶段输入的总能量，Wholding为恒温加热阶段输入的总能量。
式中，theating为升温加热阶段的时长；由于恒温加热阶段为间歇式微波启动模型，tholding,net为此阶段微波加热的净时长，可由系统软件记录的微波曲线获得该值，见图4 。
（2）水资源提取量为：
式中，G0和Gf分别为微波加热前后样品的质量。
（3）水资源提取率为：
式中，m0,water为样品内初始水分质量，可由样品初始质量和初始含水率计算得到。
（4）水冰吸热量为：
式中，hvapor为相变温度下蒸汽的焓值，本文中取1 atm压力条件下饱和水蒸气的焓，2 675 kJ/kg；hice为初始冷冻温度下冰的焓值，本文取零。
（5）月壤颗粒吸热量为：
式中，Cp,LRS为月壤颗粒的比热容；Theating为样品的加热温度；T0为月壤颗粒的初始温度。
（6）能量效率为：
为便于与前期研究结果直接比较，本文的能量效率单位为W·h/g。
3 结果与分析
3.1 基本特征分析
首先，分析微波加热含冰月壤水资源提取与收集方法的基本特征，确定该方法的能量输入特征、吸热量、水资源提取量和能量效率等主要参数的范围。根据基本工况实验测试得到的数据如表3 所示。可以看出，在加热功率为600 W的条件下，对于含水率4.8%的标准冷冻含冰月壤样品，其升温阶段耗时95 s，达到了预定的加热温度75 ℃，此后进入恒温加热阶段，持续时间为120 s。
表 3 基本工况得到的数据结果Table 3 Experimental results of the base case |
| 参数名称/单位 | 符号 | 数值 |
| 初始含水率/% | Wwater | 4.8 |
| 升温加热时间（测试值）/s | theating | 95 |
| 恒温加热时间（设定值）/s | tholding | 120 |
| 加热前质量/g | G0 | 103.80 |
| 加热前质量/g | Gf | 99.90 |
| 初始水分质量/g | Gwater | 4.94 |
| 失水质量/g | φwater | 3.90 |
| 水提取率/% | γwater | 78.9 |
| 升温阶段能量输入/kJ | Wheating | 57.0 |
| 恒温阶段能量输入/kJ | Wholding | 13.8 |
| 总能量输入/kJ | Wtotal | 70.8 |
| 水分吸收热量/kJ | Wwater | 10.4 |
| 月壤颗粒吸收热量/kJ | WLRS | 16.1 |
| 水分吸热量占比/% | Γwater | 14.7 |
| 月壤颗粒吸热量占比/% | ΓLRS | 22.7 |
| 能量效率/（W·h/g） | η | 5.0 |
经过微波加热，样品的失水量为3.90 g，据此计算得出的水提取率为78.9%。在微波加热过程中，升温阶段输入的能量为57 kJ，恒温阶段输入的能量为13.8 kJ，总能量输入为70.8 kJ。可见，升温阶段的能量输入占据了主要部分。此时含冰模拟月壤样品低初始低温状态，水冰大量吸热并发生相变，蒸发为蒸汽。由于存在接触热阻，虽然测得的月壤样品内部表面温度约为75 ℃，实际上月壤颗粒间水分子的温度可能远高于此值，因此局部相变过程较为迅速。经计算，加热过程中水分吸收的热量为10.4 kJ，占总能量输入的14.7%；模拟月壤颗粒同样被加热，吸收热量为16.1 kJ，其吸热量占比22.7%，高于水冰吸收的热量。但水冰和月壤颗粒的总吸热量仅占总能量输入的37.0%左右。由此可见，大部分输入能量被碳化硅片吸收或损失到环境中。碳化硅片的存在有效保护了微波系统的元器件，避免月壤内水分完全干燥后炉内器件被微波损坏。尽管如此，微波加热方法的能量效率约为5.0 W·h/g，比传统的钻具内加热水冰提取方法的能量成本低约一半[11-12]。
加热后样品内的残余水分分布见图6 。可以看出，在上述能量输入条件下，含冰模拟月壤主体残余水分降低到1.0%以下。但样品顶部仍残留约1.8%的水分，随着高度降低，残余水分显著下降。在样品最底部，含水率已降低至0.5%以下，几乎全部干燥。纵向含水率的分布特征表明，由于碳化硅片吸收了大量微波能量后温度升高，在样品底部形成了附加热源，使得样品底部区域水分损失较快。此外，对样品横向残余水分的分析显示，靠近微波发生器的样品内侧残余含水率低于样品外侧。这主要是因为本系统只布置了一组微波发生器，样品面向微波发射的区域，接收能量较多，干燥速度较快。但两侧的残余含水率差别并不显著。整体来看，微波能够穿透整个低温含冰月壤样品，基本可以实现对样品的均匀加热。
3.2 微波加热参数的影响
在基本工况的基础上，本文进一步研究了微波加热参数的影响，包括微波功率、加热温度和恒温时间（见表2 ）。从图7 可以看出，随着微波加热功率的提高，低温含冰月壤样品的升温加热阶段缩短，升温速率提高。当功率为400 W时，样品在0 ℃附近经历了较长的蓄热相变阶段，升温阶段持续约180 s；而当功率提高至1 000 W时，升温阶段仅需约70 s。由于恒温加热阶段的时间固定为120 s，因此功率越高，总加热时间相对减少。但在高功率条件下，恒温加热阶段的温度波动更加显著。
从图11 可以看出，在固定加热温度和恒温时间条件下，微波功率对能量效率的影响相对有限，所有工况下的能量效率约维持在5.0~6.0 W·h/g。能量效率随着加热温度降低而减少，有利于降低微波加热的能量成本。但随着恒温时间增加，能量输入成本显著上升。因此，从能量效率的角度考虑，可以采用“可用功率+低加热温度+自适应加热时间”的方法，以提高微波能量利用率和水冰提取率。
3.3 含冰模拟月壤参数的影响
本文进一步研究了含冰模拟月壤参数的影响，包括初始含水率和样品压实密度。从图12 可知，在固定的加热功率、加热温度和恒温时间的条件下，水资源提取量随着样品初始含水率的提高而线性增加。当初始含水率从2.0%逐渐增加到13.8%时，水资源提取量从2 g增加到约10 g。由于大量水分吸收微波能量并发生相变，吸热效率的提升导致能量效率从18.0 W·h/g迅速降低至2.5 W·h/g。当含水率不低于4.8%时，能量效率维持在6.0 W·h/g以下；而过低的含水率（如2%）则会使能量成本显著上升。
不同含水率样品经加热后的残余水分分布见图13 。在本文设置的加热条件下，初始含水率低于7.4%的样品几乎被完全蒸干，残余含水率很低；而初始含水率为10.7%的样品，残余含水率约为2.0%；初始含水率为13.8%的样品，残余含水率约为3.0%~4.0%。由此可见，当水分未被完全蒸干时，微波能量可以更有效地被水分吸收，能量效率可保持在2.5~4.0 W·h/g的水平。
从文献[12]可知，若采用传统的钻具加热方法，当样品含水率在2.2%~7.0%时，能量成本从37.9 W·h/g降低8.6 W·h/g。在相似的样品含水率条件下，本文采用微波加热方法使能量成本从18.0 W·h/g迅速降低至约4.0 W·h/g，整体能耗仅为钻具加热水冰提取方法的一半。
3.4 水资源收集结果分析
基于上述研究结果，本文针对典型工况条件，研究了微波加热含冰月壤系统中水资源的收集过程规律，结果见表4 。研究主要考察了不同初始含水率的样品，在原工况设定的操作时间下，水资源的提取量与收集率和收集速率之间的关系，图16 给出了这三个量之间的量化关系。
表 4 典型工况下水收集量与收集速率 |
| 序号 | 初始含水率/% | 总提取时间/min | 水提取量/g | 水收集量/g | 水收集率/% | 水收集速率/(g/min) |
| 工况1 | 2.0 | 2.22 | 2.0 | 1.19 | 59.5 | 0.53 |
| 工况2 | 4.8 | 2.12 | 4.5 | 1.42 | 31.6 | 0.67 |
| 工况3 | 7.4 | 2.20 | 7.3 | 2.58 | 35.3 | 1.17 |
| 工况4 | 10.7 | 3.31 | 10.0 | 5.00 | 50.0 | 1.51 |
| 工况5 | 13.8 | 1.87 | 10.2 | 2.96 | 29.0 | 1.59 |
在近似相同的加热收集时间条件下（工况1、2、3），水提取量随初始含水率的增加而增加，收集装置内的水收集量也相应增加。但水收集率在30%~60%之间波动，这与系统的密封性能密切相关。由于系统内蒸汽的排出依靠气体循环泵向实验腔内输入正压力，蒸汽容易发生泄漏，导致超过一半的蒸汽在收集之前损失。当初始含水率提高到10.7%以上时（工况4、5），由于加热收集时间不同，两个工况下水的提取量均为10.00 g左右，但工况5内只收集到2.96 g水分，收集率较低，这与冷凝器的冷凝效果有关。当过量蒸汽产生时，冷凝器的冷凝面积不足，部分蒸汽未来得及冷凝便从冷凝器出口排出，导致大量水分损失。因此，需要进一步改进系统的密封性和冷凝效果，以提高水资源的收集率。在这些条件下，水资源的平均收集速率为0.53~1.59 g/min，且随着初始含水率的增加而增加。与传统的钻取加热方法（速率为0.2~0.5 g/min）[11-12]相比，微波加热系统在水资源收集方面仍有明显优势。
4 结 语
通过实验研究，本文获得了微波加热低温含冰月壤水资源提取与收集过程的基本特征，研究了微波加热参数和样品参数对水资源提取收集规律的影响。
（1）微波能够穿透整个低温含冰月壤样品，实现对样品的均匀加热。在初始含水率为4.8%的低温含冰月壤样品时，微波加热方法的能量效率约为5.0 W·h/g。
（2）水资源提取率与微波加热输入的总能量呈正相关。通过调整微波加热功率、加热温度和恒温时间，可以实现更高的水冰提取效率。采用“可用功率+低加热温度+自适应加热时间”的方法，可以有效提高微波能量利用率。
（3）初始含水率对水资源提取率和能量效率有显著影响。当初始含水率从2.0%逐渐增加到13.8%时，能量效率从18.0 W·h/g迅速降低至2.5 W·h/g。在水分未被完全蒸干前，微波能量可以被水分更有效地吸收，能量效率可维持在2.5~4.0 W·h/g的水平。
（4）样品密实度的增加有利于水分子和月壤颗粒之间的热传导，这使得含冰月壤内部的热平衡时间缩短。随着样品密实度的增加，总能量输入降低，水资源提取率提高。但样品内残余水分的分布规律与样品压实密度的关联性不明显。
（5）受密封性和冷凝效率限制，本文的水收集率仅为30%~60%。在此条件下，水资源的平均收集速率为0.53~1.59 g/min，并随着初始含水率的增加而增加。