地外原位资源利用任务需求与关键技术调查研究

周诚 ,  覃文波 ,  高玉月 ,  乔金 ,  丁烈云

中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (4) : 234 -246.

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中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (4) : 234 -246. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2025.03.024
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地外原位资源利用任务需求与关键技术调查研究

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Extraterrestrial In-Situ Resource Utilization: Mission Requirements and Key Technologies

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摘要

随着航天技术的跨越式发展，地外原位资源利用（ISRU）正从前沿构想转向工程实践；ISRU技术作为深空探测能力体系建设的重要战略支撑，将重构未来深空探索范式，孕育出以地外原位资源为载体的新兴太空经济业态。本文旨在开展地外ISRU任务需求与关键技术调查，基于文献调研、专家评估等方法，首次构建了地外ISRU“资源 ‒ 产品”任务需求清单和地外ISRU关键技术清单，系统评估了ISRU任务的实施路径和技术发展方向。基于对地外ISRU关键技术成熟度、应用时间、发展水平与制约因素的分析，研究指出，我国地外ISRU技术实现的峰值时间将集中在2031—2036年；技术应用限制与基础设施缺乏是制约地外ISRU开发的重要因素，反映出在实际应用过程中技术应用场景匹配不充分、技术验证设施建设滞后等问题；面向未来，地外ISRU将聚焦水冰资源、月壤与火星土壤资源、气体资源、废弃物资源以及矿产资源的开发与利用等五大重点任务，以及资源勘探、原位制造与原位建造、资源开采、产品和消耗品的储存、资源加工等5方面的关键技术。本研究可为制定我国地外资源利用顶层规划提供支撑数据，推动我国深空探测可持续发展。

Abstract

With the leapfrog development of space technologies, extraterrestrial in-situ resource utilization (ISRU) is transitioning from a frontier concept to engineering practices. As a crucial pillar for building deep space exploration capabilities, the ISRU technology will reshape the future paradigm of deep space exploration and give rise to an emerging space economy centered on extraterrestrial in-situ resources. This study aims to investigate the mission requirements and key technologies for extraterrestrial ISRU. Based on literature review, expert assessment, and other methods, it constructs for the first time a resource-product mission requirement list and a key technology list for extraterrestrial ISRU, systematically evaluating the implementation pathways and technological development directions for ISRU missions. Based on the analysis results of the maturity, application timeline, development level, and constraints of key extraterrestrial ISRU technologies, the study indicates that the peak time for the realization of China's extraterrestrial ISRU technologies will be concentrated between 2031 and 2036. Technological application constraints and a lack of infrastructure are identified as major factors hindering extraterrestrial ISRU, highlighting issues such as inadequate matching of technologies with application scenarios and lagging construction of technology verification facilities during practical implementation. Looking ahead, the major tasks for extraterrestrial ISRU will focus on the development and utilization of water ice, lunar and Martian regolith, gaseous, waste, and mineral resources. Key extraterrestrial ISRU technologies encompass five areas: resource prospecting, in-situ manufacturing and construction, resource exploitation, product and consumable storage, and resource processing technologies.

Graphical abstract

关键词

原位资源利用 / 资源勘探 / 资源开采 / 地外建造 / 月球基地

Key words

in-situ resource utilization / resource exploration / resource exploitation / extraterrestrial construction / lunar base

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周诚,覃文波,高玉月,乔金,丁烈云. 地外原位资源利用任务需求与关键技术调查研究[J]. 中国工程科学, 2025, 27(4): 234-246 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.03.024

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一、 前言

随着深空探索活动的不断深入，地外原位资源利用（ISRU）成为推动人类在太空实现长期可持续发展的关键技术之一[1,2]。ISRU技术通过勘察、提取、加工地外天体（如月球、火星、小行星等）的原位资源（如水冰、星壤等），实现生命支持系统补给、推进剂生产、基础设施建造等目标，能够显著降低深空探测任务载荷质量、延长任务周期并支持地外长期驻留，为可持续太空探索和太空经济发展奠定基础[3]。

近年来，美国在地外ISRU领域开展了多项重要工作，使ISRU技术逐步进入到技术验证的关键阶段[4]。美国国家航空航天局（NASA）通过月球表面创新计划、商业月球有效载荷服务等项目推动了包括地外水冰资源提取、氧气生产在内的多项ISRU关键技术开发[5,6]。NASA“火星2020”任务执行了人类首次地外ISRU测试，开展了火星氧气原位资源利用实验，利用火星大气中富含的二氧化碳制造出共计122 g氧气[7]。美国Intuitive Machines公司发射的月球着陆器“雅典娜”搭载了极地资源冰采矿实验，计划在月球南极寻找月壤中的水和其他关键资源，进一步推动地外ISRU技术应用和验证[8]。

我国计划于2030年前后完成国际月球科研站建设，包括建成月球ISRU技术验证设施，并开展相关探索任务[9]。在资源勘探技术储备方面，“嫦娥五号”“嫦娥六号”任务成功将月球样品带回地球，为分析月壤中的原位资源提供了科研条件[10~13]。在资源利用技术储备方面，我国科研团队提出了地月空间资源探测与开发体系[14]，研制了钻取一体化水冰资源原理样机[15]，构建了月面原位建造理论框架[16]，并在多项ISRU关键技术研究上取得突破[17,18]。未来，“嫦娥八号”任务将计划搭载ISRU试验装置科学载荷，开展相关实验。然而，我国ISRU技术开发水平与美国相比仍存在较大差距，尤其是在技术开发成熟度方面。在地外极端环境下，建立从原位资源的勘探、开采、加工、存储到原位制造与建造的高效运作流程是推动ISRU技术体系逐步成熟的核心挑战。尽管当前全球ISRU技术研究已取得一定的突破，但推动ISRU实现工程化利用仍有诸多难题亟待攻克。

本研究通过文献调研、问卷调查和专家研讨等方式研究地外ISRU任务与关键技术体系，开展基于地外探索目标影响程度、基于地外探索任务阶段依赖性的地外ISRU“资源 ‒ 产品”任务体系优先级评价，以及地外ISRU关键技术的成熟度、应用时间、发展水平与制约因素分析，提出地外ISRU的重点任务和关键技术，为进一步研究和制定我国地外资源利用的顶层规划提供基础数据支持。

二、 ISRU任务需求与关键技术调查方法

（一） 方法设计

本研究构建了系统性调研框架，以全面揭示地外ISRU任务需求与关键技术的发展趋势和内在联系。首先，通过系统检索国内外相关文献，包括主要航天大国的航天机构面向地外ISRU制定的相关战略文件以及地外ISRU领域科研文献，归纳提炼地外ISRU的任务需求和关键技术类别，并利用文献计量数据为后续分析提供初步支撑。其次，依托跨领域专家的多轮讨论与文献关键词共现分析，进一步评估和优化初步提取的类别，形成科学合理的任务需求与关键技术体系，并根据该体系凝练核心问题，设计专项调查问卷，邀请相关领域专家参与调查，确保数据可靠性。最后，结合定量与定性分析方法解析问卷数据，全面研判地外ISRU任务和技术发展趋势。

（二） 任务清单形成

地外ISRU任务分析首先需要辨别任务中“资源”与“产品”两种形态。“资源”指尚处于开采前或刚开采但未经过加工处理的原生材料；“产品”指经过生产体系处理后，具备特定功能、可直接用于任务保障的物质。通过对关键ISRU战略文件和学术论文进行系统分析，可以将从“资源”到“产品”的地外ISRU开发链归纳为资源勘探、资源开采、资源加工、原位制造与建造、产品和消耗品储存5个主要阶段，其核心在于实现从天然地外资源向高附加值产品的转化。本研究分析的地外ISRU任务包含12个小项的典型月球ISRU资源和10个小项的典型月球ISRU产品，11个小项的典型火星ISRU资源和10个小项的典型火星ISRU产品，构成了地外ISRU“资源 ‒ 产品”任务体系。在月球“资源 ‒ 产品”任务体系中，水冰预计可用于生命支持和制造燃料，氘、氚可以为月面核聚变燃料制造提供原料，月壤与月岩则有望作为月面结构建造和工具制造的基础原材料，而贵金属、钛矿石与钨等资源可以在月面电子设备、航天器制造与维修，以及高温合金生产中发挥关键作用；此外，放射性物质、气体资源、稀有元素以及各类废弃物的回收利用将构成月球资源的多层次利用体系，支持未来从能源开发到高技术产品制造的全链条需求。在火星“资源 ‒ 产品”任务体系中，通过对水冰、大气资源、岩石、土壤、层状硅酸盐矿物、蒸发盐矿物、太阳能与风能以及废弃物回收的规划性利用，有望形成用于建筑材料、混凝土、各类化工产品、能源与环境应用的多元化ISRU产品体系。

（三） 技术清单形成

本研究以Web of Science为核心数据库开展文献调查与研究，将基于地外ISRU“资源 ‒ 产品”开发体系的5个主要阶段作为技术类别的初始关键词，充分调研地外ISRU技术相关文献，筛选出1185篇文献，进一步归纳整理地外ISRU关键技术小项。通过文献检索和计量分析，运用VOSViewer软件绘制关键词共现网络[19]，如图1所示。整体来看，地外资源利用从基础科学到工程实践，最终服务于地外探索的长期目标。

在文献检索与计量的基础上，本文进一步归纳了地外ISRU关键技术体系，形成了5个技术大项，31个技术小项的关键技术清单。

1 资源勘探技术

资源勘探技术旨在对目标天体表面的原位资源分布、储量以及物理化学形态进行精确勘察和测绘，运用遥感探测、地质调查以及样品采集等手段，为后续阶段的地位ISRU任务提供基础数据和科学依据。

2 资源开采技术

对原位资源进行物理或化学手段分离，包括挖掘、钻取等操作，克服低重力、极端温度等特殊环境条件，将原位资源从天然环境中提取出来，为后续加工阶段提供稳定的原料供应。

3 资源加工技术

针对从资源开采阶段获得的原料，实施初步处理和精炼操作，以形成符合制造与建造要求的原料。通过冶炼等处理工艺，提高资源纯度和利用效率。

4 原位制造与原位建造技术

进一步开展工业化生产和工程建设，将原料转化为具备特定功能的产品，如通过增材制造、机器人装配及其他自动化制造手段实现地外ISRU产品的高效生产。

5 产品和消耗品的储存技术

针对地外ISRU过程产出的产品和消耗品，建立长期稳定的储存与供给体系。通过环境控制、能量管理、安全保障等措施，确保产品和消耗品在任务周期内能够得到有效保存，实现深空任务的可持续发展。

（四） 调查问卷设计与回收情况

为充分获取专家对地外ISRU任务和技术的相关评价，本研究设计了包含6个核心问题的专项调查问卷。其中，前两个问题关注地外ISRU任务分析，包括原位资源对地外探索任务目标的影响程度和地外ISRU产品在地外探索任务中所属阶段的调查，分别从资源和产品两种形态层面进行优先级分析；后4个问题主要关注地外ISRU技术分析，包括技术成熟度用来反映各地外ISRU技术的发展现状，技术预计实现时间用于描述我国地外ISRU技术发展进展，各国地外ISRU技术水平对比用于评价我国与世界主要航天大国地外ISRU技术水平差距，制约因素总结当前我国地外ISRU技术发展的不利条件。

本研究共发出问卷45份，回收问卷45份，受访者主要来自国家科研院所／机构（64.4%）和高校（28.9%）。其中，71.1%的专家具有正高级职称，60%的专家聚焦航空航天领域；44.4%的专家已开展地外ISRU相关技术研究，28.8%的专家已形成具体的地外ISRU技术成果，且62.2%的专家从业年限超过10年。问卷受访者群体特征表明，研究数据源于具有高学术资历、长期从业经验且直接参与地外ISRU技术探索的专家群体，可以为地外ISRU领域研究提供专业与实践并重的参考依据。

（五） 问卷统计方法

本研究综合采用了多类统计方法，以计算相关指标，形成多维度调查结果，具体如下。

技术预计实现时间：采用中位数计算各技术的预计实现时间。该中位数表示在受访专家预测中，有1/2专家的预测时间早于此值，另1/2专家的预测时间晚于此值。

技术研究开发水平：采用受访专家对技术课题达到“国际领先”或“接近国际水平”的认同度，表征我国当前的研究开发水平。具体计算公式为：

R=RLX+0.5RJJRLX+RJJ+RLH

式（1）中，R为技术的目前研究开发水平指数；RLX为选择“国际领先”选项的专家人数；RJJ为选择“接近国际水平”选项的专家人数；RLH为选择“落后于国际水平”选项的专家人数。

其他指标（优先级系数、技术成熟度）：根据受访专家选择某选项的人数占受访专家总数的比例计算最终指标。具体计算公式为：

I=Qi1+Qi2+Qi3+Qi4+Qi5E1+E2+E3+E4

式（2）中，I表示专家认同度，Qi1至Qi5分别表示在五级李克特量表上选择第1级（最低）至第5级（最高）选项的专家人数；E1至E4分别表示在自评专业背景选项中，选择第1级（最低）至第4级（最高）选项的专家人数。

三、 ISRU核心任务体系及优先级评价

（一） 基于目标影响程度的资源优先级分析

地外ISRU任务的资源开发策略需紧密围绕地外探索的核心科学目标与工程需求展开，而资源开发优先级的判定关乎任务效率，也为人类实现跨行星生存能力的关键技术突破提供了发展路径指引。问卷调查分别统计了月球和火星的原位资源对于科学研究目标、基础设施目标、交通居住目标、长期运维目标4项ISRU任务目标以及总目标的差异化影响，构建以量化评估资源开发优先级为核心指标的ISRU资源评价体系。

本研究所述“资源优先级系数”，对应问卷中设置的不影响、影响较低、一般、影响较高、十分影响的5类选项，最终通过专家认同度计算得出。表1展示了月球ISRU资源对月球探索任务目标的影响程度分析结果。水冰、月壤和月岩的综合影响最为突出，其中水冰的总体优先级位列第一名，在科学研究、长期运维目标中均居首位，水冰的核心价值在于支持生命维持系统氧气供给与燃料生产，并为研究月球演化提供关键样本；月壤和月岩的总体优先级位列第二名，尤其是在基础设施与交通居住目标中表现最优，可以直接用于建筑材料制备。上述两类资源由于场景适用性较强，开发技术相对成熟。相比之下，钛矿石和气体资源虽分列第三、第四，但优势集中于特定领域。钛矿石在基础设施目标中排名第三，可能因其金属特性适合结构强化；气体资源在科学研究目标中位列第三，或与稀有气体分析及地外ISRU技术相关。值得注意的是，生活废弃物、燃料和化学物质废弃物在长期运维目标中分别排名第三、第四，表明废弃物的循环利用对月球基地的可持续性至关重要，如通过再生水、能源回收降低对外部补给的依赖。而贵金属（金、银、铂）与稀有元素的优先级最低，或受限于当前技术对高价值矿物提取的技术可行性不足，且应用场景与短期任务目标关联较弱。此外，钨、氘和氚等资源排名靠后，可能因核聚变燃料或耐高温材料的潜在价值尚未转化为实际需求，需要依赖未来技术突破才能够凸显此类地外ISRU资源的重要性。

表2展示了火星ISRU资源对月球探索任务目标的影响程度分析结果。蒸发盐类矿物的综合优先级居首位，并且在基础设施目标中优先级最高，可能因其化学稳定性和胶结特性，适合作为建筑材料或工业原料，如制造辐射防护层、改良地表承载力。水冰的总体优先级位列第二，特别是在科学研究目标中位于首位，反映了水冰对于揭示火星古气候演变、水文活动及潜在宜居性的重要作用。火星土壤在交通居住目标中排名第一，进一步印证了星壤作为建筑和防护材料的工程价值。大气资源总排名第四，但在科学研究目标中排名第二，体现了二氧化碳富集对研究火星大气演化机制的意义，同时在实际任务中已验证通过火星大气实现原位制氧的能力，对生命保障系统具有直接贡献。岩石资源在基础设施目标中位列第二，可能因其富含铁、镁等金属元素，可以通过熔融提取工艺制备合金，但当前技术成熟度限制了综合优先级。太阳能与风能的低优先级在一定程度上反映出火星环境对技术的约束，如火星尘埃沉降可能导致光伏效率衰减，低大气密度限制风力发电效能，因此，原位能源利用需结合储能技术才能满足稳定供能需求。废弃物资源（燃料、化学物质与设备）虽然在长期运维目标中显示了一定价值，但整体排名靠后，表明循环利用技术尚处于验证阶段，短期内难以成为核心资源。

（二） 基于任务阶段依赖性的产品优先级分析

地外探索任务的阶段性特征决定了地外ISRU产品开发策略需与任务阶段目标动态匹配。表3是月球与火星探索任务的阶段划分，描述了地外ISRU产品需求从初步验证到全面应用的发展步骤。在月球探测任务中，早期阶段聚焦资源特性的数据采集与小规模实验，中期转向可持续基地建设与低风险生产验证，远期则强调资源开发与深空任务支持；火星任务因距离与复杂度更高，优先级更依赖于机器人预研、轨道基地协同及表面设施分步部署。

本研究所述“产品优先级系数”，对应问卷中专家评价的各类产品所属阶段，最终通过专家认同度计算得出。图2展示了月球ISRU产品在月球探索各阶段的优先级演变规律分析结果。在第1阶段：踏上月球时，水的优先级位列首位，表明在初期任务中，水对于生命保障的重要性较高；其次为推进剂／燃料和食品。进入第2阶段：在建立可持续月球基地后，氧气的优先级系数上升至0.84，成为最为关键的ISRU产品，其次是仍保持较高优先级的水、推进剂／燃料，反映出基地建设阶段对生命维持和能源支持系统更高的自给要求。发展至第3阶段：持续勘探和运行时，聚合物／塑料的优先级系数提高至0.91，表明在长期运行与扩展任务中，对建筑材料和系统构件的需求显著增强。此外，推进剂／燃料、食物和金属的优先级也有一定程度上升，而水和氧气的相对重要性则有所下降。

图3展示了火星ISRU产品在火星探索各阶段的优先级演变规律分析结果。在第1阶段：机器人任务中，水、氧气和推进剂／燃料被赋予较高的优先级，这说明该阶段重点关注对后续阶段的人类生存保障和作业支持至关重要的产品。进入第2阶段：踏上火星后，各项产品的优先级系数均有提升，其中水、氧气和推进剂／燃料依然保持领先，同时，热能和建筑材料／原料的优先级上升，表明随着短期人类探索和初步基础设施建设的开展，对生命维持和系统运行支持的地外ISRU产品需求进一步增加。在第3阶段：可持续探索过渡阶段中，水、氧气、推进剂／燃料、热能的优先级系数进一步提高，对关键ISRU产品需求达到新的高度。同时，建筑材料／原料、陶瓷、金属、食物和植物生长养料的优先级系数也有明显提升，以为后续构建和维持长期任务的综合支持系统做准备。进入第4阶段：可持续探索后，虽然水和氧气的优先级系数仍处于较高水平，但其优先级排序回落。变化最为显著的地外ISRU产品是塑料／聚合物，优先级跃居第一，而植物生长养料、食物的优先级排序分别为第二、第三，表明在支持长期火星表面人类活动和构建相应基础设施的阶段，对制造材料和农业系统的依赖显著增强，而传统生命保障产品尽管依然重要，但在整体资源配置中所占的比重下降。

四、 ISRU关键技术预见与差距评价

（一） 技术成熟度分析

技术成熟度排序揭示了5类地外ISRU技术领域的发展水平及其内部技术小项的差异。本研究所述“技术成熟度”对应问卷“不成熟”至“十分成熟”5类选项，经专家认同度计算得出。如表4所示，资源勘探技术是5类地外ISRU技术中成熟度最高的领域，其中的技术小项“勘探、测绘技术”“场地规划、监测技术”评分较高，表明该技术在月球或火星探测中已具有较强实践基础，尤其是在环境感知与初期布局时经验丰富。相比之下，原位制造与原位建造技术在5类地外ISRU技术的成熟度排序中处于第二位，但内部发展不均衡，“太阳能等集成能源系统技术”“结构设计和建造技术”等技术小项表现较好，而“着陆和发射场建设技术”“地基与地表建设技术”则显著落后，这反映出在复杂地外环境下基础设施建造仍面临材料适应性、工程可靠性等核心挑战。资源开采技术在5类地外ISRU技术中成熟度排序位列第三，具体到各技术小项，如“钻探技术”的成熟度较高，“地下液体和气体资源开采技术”与“风化层和岩石资源开采技术”的成熟度较低，说明深层资源提取仍是瓶颈。产品和消耗品储存技术、资源加工技术在5类地外ISRU技术中成熟度排序分列第四、第五，表明地外原位资源转化为高附加值产品的技术路径尚不明确。总体而言，资源勘探与原位建造的局部优势尚难支撑完整的地外ISRU技术体系，资源深加工能力仍是未来突破关键。

本研究对地外ISRU技术成熟度评价的斯皮尔曼相关系数进行了分析。图4展示了地外ISRU技术各技术小项成熟度的相关性权重弦图。根据弦图及技术小项的排名情况，可以看出，相关性权重位于前5名的技术小项与其他技术之间的连线较为密集、关联权重较高，表明这些技术在地外ISRU技术体系中具有显著的协同性。具体来看，混凝土等建筑原料生产技术与结构设计和建造技术联系紧密，源于前者的制备能力直接制约后者的工程可行性；而与选矿相关的多项技术分支同时进入前5名，说明资源加工环节的整体系统成熟度至关重要，需要跨工艺协作以提升效率。相比之下，相关性权重后5名的技术小项与其他环节的联系较弱，表现出较高的专业化和孤立性。勘探与测绘技术作为地外ISRU流程的起点，其技术成熟度的低相关性反映出监测结果可能未能充分利用，或现有技术对复杂环境的动态适应能力不足，导致数据未能有效指导后续加工与制造环节，存在“信息孤岛”风险；而材料运输技术、气体生产与净化技术之间的割裂性表明，当前对运输与储存环节、加工和建造流程的有效衔接还存在认识不足的情况，可能导致“生产 ‒ 存储 ‒ 应用”跨环节整合不足，成为长期任务的瓶颈。

技术成熟度及其相关性调查结果表明，地外ISRU技术在资源深加工与产品制造等后端技术方面存在发展成熟度不足且在技术环节之间缺乏协同性认识和布局等问题；在资源勘探等地外ISRU前端技术方面，因已进行多次工程实践检验，发展相对成熟，地外ISRU技术体系的发展应注重前端与后端技术之间的衔接，以提升地外ISRU技术体系的整体发展协同性。

（二） 我国地外ISRU技术实现与应用时间预测

根据专家对各项地外ISRU技术在我国实现应用的预计时间评价数据，绘制了地外ISRU技术预计实现时间分布（见图5）。我国地外ISRU技术预计实现的峰值时间集中在2031—2036年，在该时间段实现的地外ISRU技术将占总量的84%。预计2035年前，最先在我国实现应用的前10项地外ISRU技术分别为：勘探、测绘技术，场地规划、监测技术，地面稳定控制、监测技术，钻探技术，资源选矿能力技术，太阳能等集成能源系统技术，结构设计和建造技术，增材制造技术，场地规划技术，成型制造技术。

早期实现的地外ISRU技术主要与基础设施建设和能源整合相关，为后续更复杂的资源深加工任务打下坚实基础。由图5可以看出，预计21世纪30年代中期，随着相关地外ISRU关键技术的逐步实现与应用，有望形成一个多环节联动、较为成熟的地外ISRU技术体系。整体而言，地外ISRU技术的实际实现时间受多种因素综合影响。考虑颠覆性科技创新、政策变化、国际形势等因素，地外ISRU技术的发展和成熟可能与预估时间有所差异。

（三） 我国与国际地外ISRU技术的差距评价

在问卷调查中，本研究设置了“不同国家在地外ISRU技术方面的发展水平与国际最高水平之间的比较”选项，向专家征询中国、美国、欧洲、俄罗斯与日本的地外ISRU技术发展处于国际领先水平、接近国际水平、落后于国际水平3种水平的何种阶段，并计算各选项专家认同度。专家认同度指回函专家选择某选项的人数占回函专家总数的比例。具体计算公式如下：

Iij=∑Qjk∑λkEk

式（3）中，Iij表示对第i项技术的第j项研究开发水平评价的专家认同度；Ek表示回函专家中第k项专业背景专家人数（4种专业背景包括听说过ISRU技术、对ISRU技术有一定了解、已开展ISRU技术相关研究和已形成ISRU技术成果）；λk表示第k项专业背景专家的权重系数，Qjk表示选择研究开发水平为j的第k项专业背景专家人数。

美国、欧洲、中国等主要航天大国和地区的地外ISRU技术发展水平情况如图6所示。美国在地外ISRU技术研究的五大领域整体处于领先地位，各项技术的专家认同度均超过0.9，充分反映了美国在地外ISRU技术研发、应用和技术整合方面的卓越水平。中国和欧洲紧随其后，虽然在某些指标上与美国仍存在差距，但在各项技术发展上已明显领先于其他国家和地区，尤其是在资源勘探技术方面的国际领先地位获得了相当比例专家的认可。这表明中国、欧洲在基础研究与应用实践方面均具备较强的竞争力，并有望在未来进一步缩小与美国的差距。相比之下，俄罗斯和日本则位于第三梯队，其中俄罗斯在资源勘探技术领域的表现较为突出，总体技术水平略高于日本。主要航天大国地外ISRU技术研究开发水平的调查结果反映出全球地外ISRU技术的发展呈现出明显的梯次分布，各主要国家或地区在特定技术领域形成了各自的优势。

全球地外ISRU技术发展水平的显著差异为国际协作创造了战略机遇。鉴于月球极端环境与技术复杂性带来的挑战，各国短期内难以独立突破技术瓶颈，可通过联合开展地外ISRU关键技术攻关，实现资源优化配置与风险共担，从而推动全球地外ISRU技术体系的协同创新。在国际合作范式层面，我国发起的国际月球科研站项目遵循“共商、共建、共享”原则，依托具体任务需求凝聚国际共识，以平等协商机制推动关键技术突破与成果共享。

（四） 地外ISRU技术发展制约因素

地外ISRU各领域技术发展制约因素的排序统计如表5所示。技术应用制约是影响程度最严重的阻碍因素，说明在实际应用过程中存在技术成熟度不足、技术应用场景匹配不充分或可持续太空经济难题等瓶颈问题。基础设施缺乏是制约地外ISRU开发的重要因素，反映出与技术开发相关的配套实验、技术验证设施建设滞后，对技术落地产生了较大制约。人才队伍缺失与战略决策限制对地外ISRU开展的制约程度仅次于技术与基础设施的制约。这表明地外ISRU技术的发展不仅依赖于先进技术本身，同时也依赖于高素质人才和科学合理的战略规划。由基础科学制约、配套行业制约等因素可以看出，推动地外ISRU技术进步需要夯实理论基础并构建完善的产业链协同机制。相对而言，组织架构限制、政治隔阂与国际竞争、缺乏相关国际制度与法规等对技术发展的制约作用相对较弱，但在国际合作和宏观层面仍构成一定障碍。因此，应积极推动地外ISRU技术在关键环节不断取得突破，实现地外ISRU技术体系的整体进步。

五、 地外ISRU的重点任务和关键技术

（一） 地外ISRU重点任务

1 水冰资源

水冰资源及其衍生产品在支持生命维持、推进剂生产以及科学研究中发挥着不可替代的作用，是深空探测任务中最为关键的战略资源。水冰可以为生命保障系统提供必要原料，水分解产生的氧气与氢气还可以成为推进剂的理想原料。同时，在科学研究方面，水冰资源的分布特征为研究地外天体的环境演变提供了独特样本和数据支持。遥感、地质取样等手段可以系统调查地外天体水冰资源的分布情况，进而为后续资源开发与利用以及深入开展地外科学研究提供坚实的数据支撑。

2 月壤、星壤资源

月壤与星壤资源的开发利用在深空基地建造、物资循环供给、行星科学研究中具有重要的战略价值。月壤可以为建造防护结构提供天然建材，其富含的硅酸盐矿物经提炼后可制备氧气与金属材料；星壤中潜在的水合矿物及碳元素是维持生命系统与合成燃料的关键原料。月壤、星壤资源的开发利用将推动深空探测范式从“地球依赖型”向“资源驱动型”革新，从而为建立地外天体自给自足式科考站提供核心物质保障。

3 气体资源

火星大气中的二氧化碳、氮气等气体资源在生命保障、能源转化及行星科学研究中具有重要价值。气体资源不仅为密闭生态循环系统提供基础元素储备，其转化制备的氧气、燃料成分等更成为原位能源供给的关键来源。在科学研究方面，火星大气成分的时空分布特征为揭示行星气候变迁、地质活动规律提供了动态观测窗口。通过轨道光谱分析、原位大气采样等综合探测手段获取的立体化数据体系，将为构建可持续的火星资源开发利用系统奠定数据基础。

4 废弃物资源

在深空探测任务中，航天器与居住舱产生的废弃材料通过原位资源再生技术，可转化为维系人类活动的重要资源。废弃物中蕴含的有机物、金属以及未消耗的推进剂成分，经多级处理技术后，可生成水、氧气及增材制造原材料，实现资源闭环循环体系的构建。废弃物资源的再生过程不仅为生命维持系统提供动态补给，更通过物质循环效率的量化分析，为研究极端环境下人工生态系统的稳定性提供了独特实验场景。

5 矿产资源

矿产资源作为地外天体就地利用的核心战略储备，其勘探与评估是构建可持续深空探索体系的基础支撑。具备多维度应用价值的特殊矿质在保障人类驻留、能源转化、天体认知等领域展现出不可替代性。矿藏赋存规律也可为揭示宇宙物质循环规律提供关键线索。当前，“资源 ‒ 产品”任务体系调查已凸显出矿产资源在深空开发中的重要地位，强化了建立高精度勘探体系的迫切需求。

（二） 地外ISRU关键技术

1 资源勘探技术

地外资源勘探技术的应用依赖高精度环境数据。当前，资源勘探技术整体成熟度较高，如行星表面宏观地形测绘、矿物光谱遥感、浅表采样分析等技术体系已形成基础支撑，但对深层资源进行分布探测的相关技术仍面临显著挑战。例如，现有技术对风化层下水冰赋存形态等关键工程参数的识别依然不足。未来，需着重建立适用于月球、火星环境的资源勘察、评估体系，以支撑从资源识别到工程开发的完整技术路径。

2 原位制造与原位建造技术

目前，地外原位制造与原位建造技术已形成阶段性成果，建立了低温挤出成形、高能束增材制造、砌筑拼装等多类建造工艺体系。但受限于低重力、高真空、强辐射、大温变等极端地外环境，对地外建材微结构演化机理、长效服役性能仍缺乏系统性认知，建造装备也仅停留于“原理样机”阶段。未来，原位制造与原位建造技术的发展仍需进一步突破地外建材形性调控、可重构智能建造装备等多项挑战。

3 资源开采技术

地外资源开采在钻探技术、资源运输技术方面已具有较高成熟度，但在资源选矿、废物回收等关键环节仍存在显著短板，技术路径的工程化验证尚不充分，原位资源供给能力难以匹配深空驻留的规模化需求。未来需建立资源开采全流程技术路径，为地外ISRU体系提供稳定、可持续的原材供应支撑。

4 产品和消耗品的储存技术

地外产品和消耗品的储存技术主要针对包括液化气体、水冰资源、燃料与化学试剂在内的核心资源与产品。地外产品和消耗品的储存技术普遍成熟度偏低，难以保障极端环境下物资的长期稳定性与可用性。未来，需构建“生产 ‒ 储存”平衡系统，降低地外任务对地球补给的绝对依赖，支撑可持续驻留目标。

5 资源加工技术

地外资源加工技术在各项关键指标上的成熟度均偏低，技术路线和工艺流程不清晰，影响了地外ISRU资源到产品的转化效率，导致未来深空任务中的资源自给自足能力难以提升。因此，未来应重点突破资源深加工技术，加大基础工艺和关键设备的研发力度，构建从资源提取到产品应用的完整链条，为深空探索提供持续可靠的物资保障。

六、 结语

地外ISRU正从前沿构想迈向工程实践，作为深空探测能力体系建设的战略支撑，其发展不仅将重构未来深空探索范式，更将催生以地外资源为载体的新兴太空经济业态。本研究通过系统梳理全球ISRU战略文献与研究进展，首次构建了地外ISRU“资源 ‒ 产品”任务需求清单及关键技术清单；基于核心问卷开展领域专家深度调研，对技术发展方向进行了系统评估。研究表明，实现地外资源向可用产品的原位转化是构建可持续深空探测体系的核心环节，亟需突破资源精准勘测、高效提取转化等关键技术链。

本研究成果通过量化分析ISRU任务优先级、技术成熟度、发展制约因素等，为我国地外资源利用顶层规划提供了科学决策的支撑数据。后续应加速推动关键技术攻关与在轨验证迭代，重点突破极端环境资源转化工艺等工程瓶颈；深化布局地外资源加工装备空间实验等前瞻研究，构建自主可控的地外ISRU技术体系，为人类深空可持续发展贡献中国智慧。

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