近年来，随着人们对地外天体认识的逐步加深以及发展太空经济的需要，开发地外星体上的原位资源在太空探索任务中占据着越来越重要的地位[1]。通常，月球与火星上的原位资源包括自然资源，例如水、太阳风植入挥发物（氢、氦、碳、氮等）、矿物岩石和风化层中的金属、大气组分，以及人为资源，例如航天员的垃圾和废物、已完成主要用途的废弃设施等。当前提倡的整合原位资源利用（ISRU）能力与系统有助于未来实现更经济与可持续的地外探索架构计划。
在探究提高全球太空探索的可持续性背景下，国际空间探索协调组（ISECG）于2006年成立。作为一个由27个航空机构所组成的非强制性论坛，ISECG通过协商一致的方式增强各国合作以推进全球太空探索路线图。自2011年首次发布《全球探索路线图》（GER）以来，截至目前ISECG已发布了此报告的4个迭代版本。为如期执行GER中预期的地外任务，ISECG为ISRU主题成立了一个差距评估组，其中包括意大利航天局（ASI）、法国国家太空研究中心（CNES）、加拿大航天局（CSA）、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、德国宇航中心（DLR）、欧洲太空局（ESA）、日本宇航机构（JAXA）、韩国航空宇宙研究院（KARI/KICT/KIGAM）、卢森堡航空局（LSA）、美国国家航空航天局（NASA）、阿联酋空间局（UAE SA）以及英国航天局（UKSA）。各成员机构旨在通过共同努力明确当前已确定的ISRU技术需求，汇总归纳未来必须解决的关键技术差距。同时，定期为IS ECG提供《地外原位资源利用差距评估报告》（简称《差距评估报告》）[7]。
本文概述了ISRU战略，重点介绍了其总体目标以及针对月球和火星探索的阶段性目标，并对其涵盖的3方面关键应用功能进行了解构。系统地梳理了《差距评估报告》中展示的各参与国当前针对ISRU技术、试验测试设备、星壤模拟物等已开展的研究工作。通过比较各成员国在6大ISRU领域及其分解结构下的技术研究水平，分析总结了各国目前在ISRU研究中的优势与侧重点。最终，提出了基于解析《差距评估报告》获得的展望，以期为未来的太空探索任务与地外建造工程提供具有借鉴价值的建议。
1 原位资源利用战略
空间探索，战略先行，多个航天国家已陆续发布空间科学中长期规划以及相关战略与政策[8]。其中，原位资源利用战略的制定与实施是人类进行地外探索的一个重大突破，也是人类逐步开展深远太空探索的坚实基础。当前原位资源利用已被NASA列为载人深空探索优先发展的首项技术，也成为中国在载人深空探测领域中优先发展的选择之一。
1.1 原位资源利用总目标与阶段性目标
原位资源利用的总体目标为最大程度地减少往返月球与火星的费用，建立长期载人空间基地的自给自足以扩大地外科学与探索工作，实现空间活动的商业化发展[7]。为最终在地外任务中成功地应用ISRU，在结合探月与探火的发展规划背景下，《差距评估报告》给出并分析了各阶段的ISRU目标。
ISRU差距研究小组基于2020年发布的关于月球表面探测方案的更新文件，载人月球探索架构划分为3阶段，依次是登陆月球、基地建设与拓展，以及位于月表或月球轨道的设施与航天器的持续性运行[9]。第一阶段于2024年实行，ISRU目标为开展月球环境下更广泛更深入的资源勘查、设备运作分析等前期工作。同时，此阶段也将展开针对相关资源利用的技术和小型的月表操作示范任务。第二阶段为建立可持续的月球基地，通过进行基于ISRU的小规模生产任务，以验证基地是否具备可持续运营所必需的各要素的综合能力。第三阶段的ISRU目标着眼于月表的航天员活动与着陆器的重复使用，以及进一步地为火星任务提供推进剂与消耗品等。
与月球类似，报告中基于火星环境下ISRU系统的逐步建立确定了火星探测的4个规划发展阶段。在准备阶段中，ISRU目标旨在对火星表面地形与资源展开全面的勘测与信息收集，并依次部署相关的测试分析技术。第二阶段又名“踏上火星”阶段，对应多个短期探索与返回任务，将进一步监测火星环境，并开展小规模的资源提取与处理示范活动[7]。之后的第三、四阶段与月球探索发展规划中的ISRU目标基本吻合。第三阶段旨在建立一个初步的居住基础设施，为后续的可持续性发展进行积累，而第四阶段的目标则是建立支持乘员活动的表面设备以及经过验证后的基础设施，为最终实现持续性存在提供保障。
1.2 原位资源利用关键功能分解
针对原位推进剂与消耗品生产领域，根据产品交付流程可划分为原位资源勘查、资源采集与预处理、生产消耗品、生产建造和制造原料的资源加工4个子功能区。针对原位建造领域，主要分为场地评估规划与清理平整、地表压实与稳固，以及各个具体的建造过程（如增材制造）等。针对基于ISRU衍生原料的空间制造系统，其分类虽与原位建造系统类似，但关注的重点在于单一零件的生产、复杂硬件的组装、装置设备修理和维护等方面。
2 针对原位资源利用的评估工作
为评估当前各国ISRU的发展状况以确定未来将在哪些方面深入开展研究工作，《差距评估报告》对过去、近期与未来计划开发的ISRU技术、模拟试验测试设备以及星壤模拟物进行了较全面的评估。
2.1 ISRU技术评估
作为一项长期的持续性工作，技术评估的目的在于汇总各国家机构重点关注的技术领域，同时比较不同国家机构的技术优势与潜在特长，为未来技术系统的开发范围提供指导方向[7]。报告中的技术评估工作沿用了1.2节中阐述的分解结构，具体条目将在3.2节中进行详细的展示与分析。目前，多数机构的ISRU技术开发重点在于针对原位资源的采矿与初加工，以此来获得任务所需产品。各机构已开展了不同程度的技术研究工作，包括ASI开发的ExoMars钻探系统，CSA研发的漫游车，ESA设计的含钻头、分析仪器与加热系统的PROSPECT载荷，直接从月壤中提取氧气的ISRUDM载荷以及NASA空间技术任务局总负责的各项ISRU处理技术项目。其中，NASA与ESA在技术成熟度（TRL）与技术范围方面表现出明显优势。不仅具备多个成熟度高的装置，并且其已经研发的ISRU技术涉及的子功能区众多。针对不同ISRU领域的详细技术开发比较与评估将在3.2节中给出。
2.2 试验测试设备评估
ISRU相关硬件设施与技术系统在数月乃至数年的运行中不仅会与月壤进行持续的相互作用与影响，月球上的复杂环境因素（重力、温度、辐射、光照等）也会影响月球居住建筑设备的性能、可靠性和工作寿命[10]。因此，开发具备高保真度的模拟月球极端环境，同时也可以容许硬件设施与月壤相互作用的试验测试设备至关重要。针对各机构目前已有的，或计划开发的试验设备，《差距评估报告》对其具备的环境模拟能力、可容纳的硬件尺寸展开了详细的评估。
评估结果如表 1所示，按照报告中划分的4类规模（组件级、子系统级、系统级与大型设备级）进行了汇总整理。除NASA在设备数量上占据领先地位外，其余机构的测试设备研发水平与进度较为一致。当前大多数研究机构的测试设备可模拟77~400 K的月面温度环境，且真空度可达到10-6 kPa。总体而言，各个国家/机构目前都已开发多种组件与子系统级别的测试设施，满足模拟月尘与岩屑以及月球高真空与极端温差的条件。然而，系统级与大型设备级别的设施数量十分有限，且多数试验测试设备对于地外辐射以及光照条件的模拟能力仍较为欠缺。
表1 ISRU试验测试设备评估 |
| 设备级别 | 机构 | 温度环境 | 真空度/kPa | 辐射 | 太阳能 | 物质环境 | 最大设备尺寸/m |
| 组件级（直径 < 1.2 m） | NASA（10） | 77~437 K | 1.3×10-7 | < 2 keV | √ | 月尘、月壤、岩石 | 1.06（L）×1.37（D） |
| ESA（3） | 3~373 K | 10-11 | — | 紫外线120~500 nm | 月壤 | 0.79（L）×0.42（D） | |
| ASI（1） | 低温100 K | 10-3 | — | — | 月尘、月壤 | 0.2×0.2 | |
| DLR（1） | 80~723 K | < 10-8 | 1~100 keV | 5000 W/m2 | 月壤 | 直径0.4，辐照目标直径0.08 | |
| KICT/KIGAM（1） | 室温~2073 K | 1.3×10-7 | < 500 keV | √ | — | — | |
| UAESA（2） | 77~473 K | 1.3×10-6 | — | — | — | 0.8（L）×0.6（D） | |
| 子系统级（直径=1.2~4.25 m） | NASA（5） | 77~473 K | 1.3×10-6 | — | √ | 月尘、月壤 | 1.35（L）×3.6（D） |
| ESA（3） | 80~413 K | 5×10-7 | — | 紫外线 | 月尘、月壤、岩石 | 3.9（L）×1（D） | |
| ASI（2） | 80~413 K | 5×10-7 | — | — | 月壤、岩石 | 3.9（L）×1.0（D） | |
| DLR（2） | — | — | 850 W/m2 | — | — | 直径3 | |
| KICT/KIGAM（1） | 77~423 K | 1.3×10-9 | — | — | 月尘、月壤、岩石 | — | |
| UAESA（1） | 213~393 K | 1.3×10-6 | — | — | — | 2（L）×2（D） | |
| CSA（1） | 40~393 K | 1.3×10-5 | √ | > 800 W/m2 | 月尘、月壤 | 1×1×0.9 | |
| 系统级（直径=4.25~7.62 m） | NASA（3） | 77~421 K | 1.3×10-6 | — | — | 月尘、月壤、岩石 | 3.66（L）×4.57（D） |
| ESA（1） | 待定 | 待定 | 待定 | 待定 | 月尘、月壤 | 5（D） | |
| KICT/KIGAM（1） | 77~423 K | 1.3×10-9 | — | — | 月尘、月壤、岩石 | — | |
| 大型设备级（直径>7.62 m） | NASA（9） | 20 K~室温 | 1.3×10-6 | — | — | 月壤、岩石 | 19.81（L）×36.58（D） |
| ESA（2） | 153~373 K | 2×10-3 | — | √ | 月尘、月壤 | 30（L）×15（D）×10（H） | |
| ASI（3） | — | — | — | — | 月尘、岩石 | 19×17 | |
| KICT/KIGAM（1） | 263~313 K | — | — | — | 月尘、月壤 | — | |
| JAXA（1） | — | — | — | √ | 岩石 | — |
注：括号中的数字表示对应机构目前已有的可运行的设备数目；“√”表示具备辐射/太阳能环境模拟功能，但具体参数未知；“—”表示设备能力不详。L、D、H分别表示设备的长度、深度、高度。 |
2.3 星壤模拟物评估
随着对月壤与火壤认识的逐步深入，为顺利实施ISRU任务，制备特征更加多样化且高度贴近真实星壤的模拟物的需求也在不断增大。因此，《差距评估报告》对各机构现有的星壤模拟物的库存状况与未来计划开发的潜在可能性进行了全面的评估。
表2 模拟月壤评估 |
| 月壤模拟物名称 | 机构 | 模拟类型/特征 | 状态 |
| OPRH2N | NASA | 高地 | 可用 |
| OPRH3N | 高地 | 可用 | |
| OPRL2N | 月海 | 可用 | |
| OPRL2NT | 高钛月海 | 可用 | |
| LHS-1 | 高地（基于阿波罗16号样品） | 可用 | |
| LMS-1 | 中钛月海 | 可用 | |
| NU-LHT系列 | 高地（基于阿波罗16号样品） | 有库存，难再生产 | |
| JSC-1 | 月海 | 停用 | |
| JSC-1A系列 | 月海 | 有库存，可再生产 | |
| BP-1 | 月海 | 可用 | |
| MLS-1 | 高钛月海（基于阿波罗11号样品） | 停用 | |
| GreenSpar | 高地斜长岩 | 可用 | |
| GRC-1, GRC-3 | 用于地面力学测试 | 有库存，可再生产 | |
| DNA-1 | ESA | 低钛月海 | 有库存，难再生产 |
| EAC-1a | 低钛月海 | 可用 | |
| TUBS-T | 高地 | 可用 | |
| TUBS-H | 低钛月海 | 可用 | |
| UoM-Black | 机械性能测试 | 可用 | |
| UoM-White | 机械性能测试 | 可用 | |
| AGK-2010 | 岩土性质 | 可用 | |
| FJS-1 | JAXA | 月海 | 可用 |
| 大岛基地模拟物 | 月海 | 停用 | |
| 小山基地模拟物 | 高地 | 停用 | |
| FJS-2 | 基于阿波罗14号任务 | 停用 | |
| FJS-3 | 高钛月海 | 停用 | |
| OB-1 | CSA/NRCan | 高地 | 停用 |
| Chenobi | 高地 | 停用 | |
| OB-1A | 高地 | 待定 | |
| UW-1M | 月海 | 待定 | |
| UW-1H | 高地 | 待定 | |
| KlS-1 | KICT/KIGAM | 机械性能 | 可用 |
| KIGAM-L1 | 高地 | 可用 |
表3 模拟火壤评估 |
| 月壤模拟物名称 | 机构 | 模拟类型/特征 | 状态 |
| MGS-1系列 | NASA | 基于盖尔陨石坑Rocknest目标矿物学的全球玄武岩土壤 | 可用 |
| JSC Mars-1, 1A | 光亮火壤 | 停用 | |
| JSC-RN | Rocknest风积沙阴影，用于取水 | 可用 | |
| MMS | 风化的玄武岩火壤 | 停用 | |
| ES-1, 2, 3, 4 | ESA | 不同粗细砂石颗粒混合物 | 有库存，难再生产 |
| OUCM-1, CM-2 | 现代模拟火壤 | 可用 | |
| OUEB-1, EB-2 | 早期玄武岩 | 可用 | |
| OUHR-1, HR-2 | 富含赤铁矿 | 可用 | |
| OUSR-1, SR-2 | 富含硫 | 可用 |
3 原位资源利用差距评估解析
3.1 差距评估目标与分解结构
ISRU差距评估工作旨在明确已确定的技术需求以及未来必须解决的技术差距，以便按计划实施IS ECG发布的全球探索路线图中的任务。ISECG从与ISRU目标相关的各项技术、试验测试设备等的系统性一一映射出发，评估了各关键ISRU领域的问题与需求。同时参照各机构目前的实际能力状况，在结合地面已有的相关技术水平后，确定了各参与国的ISRU差距[7]。基于现有的载人月球计划，报告的重点分析对象为月球任务中ISRU，仅对火星的潜在ISRU方案进行了简单评估。
差距评估组按照ISRU价值链中对应的原位资源勘查、挖掘、提取/提炼以及产品供应与应用的阶段分别进行了比较与评估。图 2展示了报告中划分的ISRU差距评估6大分解领域，与1.2节中的关键功能相吻合，依次为原位资源勘查评估、原位资源采集和预处理评估、生产消耗品的资源加工评估、生产建造和制造原料的资源加工评估、月面原位建造评估以及地外空间制造评估。
3.2 6大领域评估
3.2.1 原位资源勘查评估
表4 原位资源勘查差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 场地/地形测绘 | — | — | \ | — | — | √ | — | |
| 资源表征工具 | 物理/岩土性质表征工具 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
| 矿物/化学表征工具 | √ | √ | \ | √ | √ | √ | √ | |
| 地下冰表征工具 | √ | √ | √ | √ | √ | — | √ | |
| 水/挥发物表征工具 | √ | √ | √ | √ | √ | — | √ | |
| 轨道站点资源 | 表面成像/矿物分析 | √ | √ | \ | √ | — | √ | √ |
| 永久阴影区（PSR）成像 | √ | √ | \ | √ | √ | — | — | |
| 高分辨率/中子光谱 | √ | — | \ | √ | — | √ | — | |
| 表面资源 | 加工与选址综合工具 | √ | √ | √ | — | √ | — | √ |
| 用于资源评估的移动工具 | √ | — | √ | √ | √ | — | — | |
| 资源评估的自主性工具 | √ | √ | √ | √ | √ | — | √ | |
| 通信与导航 | √ | √ | √ | √ | √ | — | — | |
| 地形/环境/资源融合分析 | √ | — | √ | √ | — | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
目前，NASA、ESA、CSA等各航天机构对原位资源勘查均开展了较为全面的研究。其中，NASA在开发资源表征工具方面的研究较为成熟，其研发的针对水冰/挥发物的特征分析仪器已达到TRL6（technology readiness level，技术成熟度等级）。另外，在此领域同样具有优势的ESA对于表面资源评估的研究已扩展至火星层面。相较之下，JAXA与KARI在针对轨道站点与表面资源的评估领域进行的研究十分不足。然而，KARI在场地/地形测绘方面开展的技术研究是其区别于其他机构的一大特点与优势。
3.2.2 原位资源采集和预处理评估
表5 原位资源勘查差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 气体资源的采集、分离和制备 | 火星二氧化碳 | √ | √ | \ | — | — | — | — |
| 火星氮气/氩气 | √ | — | \ | — | — | — | — | |
| 固体资源的挖掘/获取 | 颗粒物质 | √ | √ | \ | √ | — | — | — |
| 矿物/冰 | √ | √ | \ | √ | — | — | — | |
| 资源预处理 | 研磨/粉碎 | √ | √ | \ | — | — | √ | — |
| 矿物分离 | √ | — | \ | — | — | √ | — | |
| 粒度分选 | √ | √ | \ | — | — | — | — | |
| 资源运输 | 固体材料运输 | √ | √ | \ | — | — | — | — |
| 气体运输 | — | √ | \ | — | √ | — | — | |
| 资源交付与移除 | 可移动性 | √ | √ | \ | √ | √ | — | — |
| 自主性 | √ | √ | \ | √ | — | — | — | |
| 通信与导航 | — | — | \ | — | — | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
当延伸到资源采集与预处理这一技术领域后，大部分机构目前已开发的能力范围开始出现大量空白。由表 5可知，NASA与ESA对资源采集与预处理下的各分解结构的研究均有涉猎，但同时两者在有关火星气体资源的采集与运输两类技术上也各有侧重。另一方面，其他参与机构仅针对个别技术层面开展了相应的研发工作。例如，CSA当前仅专注于开展针对固体资源的获取、交付与移除研究，DLR已实施相关气体资源的运输技术开发，而KARI的研究重心则为资源的研磨与分离等预处理。
3.2.3 生产消耗品的资源加工评估
表6 生产消耗品的资源加工差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 提取氧气的月壤加工（物理/化学方法） | √ | √ | \ | — | — | — | √ | |
| 提取水的月壤加工 | 进料工具 | √ | — | \ | — | — | — | — |
| 地表下封闭式反应器 | √ | √ | \ | — | √ | — | — | |
| 远程地下加热/蒸汽收集 | √ | — | \ | — | — | — | — | |
| 二氧化碳处理 | 二氧化碳制氧 | √ | √ | \ | — | — | — | — |
| 二氧化碳制甲烷与水 | √ | √ | \ | — | — | — | — | |
| 二氧化碳制碳氢化合物 | √ | √ | \ | — | — | — | — | |
| 二氧化碳制碳 | √ | √ | \ | — | — | — | — | |
| 水处理 | 水电解 | √ | √ | \ | — | — | — | — |
| 水捕获/储存 | √ | √ | \ | — | — | — | — | |
| 表征加工性能的工具 | 矿物表征仪器 | √ | √ | \ | — | — | — | √ |
| 化学分析仪器 | — | √ | \ | — | — | — | √ | |
| 纯度表征仪器 | √ | √ | \ | — | — | — | √ | |
| 产品/反应物分离 | 化学分离/吸附 | √ | — | \ | — | — | — | — |
| 物理分离 | √ | — | \ | — | — | — | — | |
| 热分离（冷冻/蒸馏） | √ | — | \ | — | — | — | — | |
| 产品/试剂污染物的去除 | 水净化 | √ | √ | \ | — | — | — | — |
| 气体净化 | √ | √ | — | — | — | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
由表 6可知，当前仅有NASA对这一领域下的所有分解结构开展了研究与规划。区别于其他机构，NASA还特别关注了反应物与产物的分离处理以此来获得更高品质的ISRU产物。其次是ESA，尽管其还未对从月壤中提取水的整个流程进行系统性的研究，且暂时缺乏将产品与反应物分离的相关技术。除此之外，CNES与DLR分别对利用月壤制备氧气与水进行了相应的研究，其他研究机构目前在此领域的技术研究尚未展开。
3.2.4 生产建造和制造原料的资源加工评估
在成功研发出更多样的高性能材料前，月壤是最合适的用于地外场景下的建造和制造原料。评估生产建造和制造原料的资源加工往往与后续的月面原位建造领域、空间制造领域密不可分。生产支持地外任务的氧气与水等资源是进行资源加工操作的重要目的之一。此外，还可从月壤中提取多种金属、黏结剂等材料作为原料用于建造和制造过程，此领域的差距评估结果如表 7所示。通过报告提供的评估结果易见，NASA和ESA已开展了月壤预处理、提取金属与生产塑料等原料的研究。其他参与机构中仅有DLR和KARI分别对自主操作加工与提取金属2方面进行了一定的技术尝试。然而，相比于金属的生产，以KARI为例的研究机构目前针对是否开展塑料类产品的技术研究还在做进一步的衡量。此情况可能是由于加工塑料与黏结剂的过程一般较复杂，前体的转换效率低，产品的初始性能较差等[13]。
表7 生产建造和制造原料的资源加工差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 生产建造/制造原料的月壤预处理 | √ | √ | — | — | — | — | — | |
| 提取金属/硅等 | 提取金属 | √ | √ | \ | — | — | √ | — |
| 提取硅 | — | — | — | — | — | — | — | |
| 生产塑料/黏结剂 | √ | √ | — | — | — | — | — | |
| 自主/监督的操作加工 | √ | — | — | — | √ | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
3.2.5 月面原位建造评估
表8 月面原位建造差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 场地规划与设计 | √ | √ | — | — | √ | √ | — | |
| 场地准备 | 平整清理地形 | √ | — | — | √ | — | — | — |
| 地表稳固 | √ | — | — | √ | √ | — | — | |
| 地下作业 | √ | — | — | — | — | — | — | |
| 护道施工 | √ | √ | — | √ | — | — | — | |
| 建造材料准备 | 尺寸/性状控制 | √ | — | — | — | — | — | — |
| 组分混合 | √ | √ | \ | √ | — | — | — | |
| 运输 | √ | — | — | √ | — | — | — | |
| 建造过程与技术 | 增材制造 | √ | — | — | — | √ | — | — |
| 制砖/压制 | √ | √ | — | — | √ | — | — | |
| 烧结/熔融 | √ | √ | — | — | √ | — | — | |
| 支撑/框架 | √ | — | — | — | √ | — | — | |
| 连接 | — | — | — | — | √ | — | — | |
| 水平结构 | 道路施工 | √ | — | — | — | — | — | — |
| 着陆/发射台建设 | √ | √ | — | √ | √ | — | — | |
| 垂直结构与防护结构 | 地下结构 | √ | — | — | — | — | — | — |
| 地面无压结构 | √ | √ | — | — | √ | — | — | |
| 地面承压结构 | √ | — | — | — | — | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
综合比较，NASA、ESA、CSA、DLR和KARI都已相应开展了月面原位建造相关的研究，而JAXA与CNES则完全未涉猎ISRU领域。其中，展现出最明显技术优势的是NASA与DLR2家航天机构，已具备成熟的建造材料、结构以及工艺技术，以NASA的月壤表面操作机器人（RASSOR，TRL6）和DLR的太阳能烧结系统（EU/H2020 RegoLight, TRL5）为代表。尽管ESA与CSA在此领域中已开展的技术研究在其下各分解结构中均有涉足，但暂时较为零散，还未形成系统的ISRU相关建造流程或方案。另外，KARI目前仅停留在场地规划与设计阶段。
3.2.6 地外空间制造评估
表9 地外空间制造差距评估 |
| 工作分解结构 | NASA | ESA | JAXA | CSA | DLR | KARI | CNES | |
| 制造材料制备 | √ | √ | — | — | √ | √ | — | |
| 制造过程与技术 | 增材制造 | √ | √ | — | — | — | — | — |
| 减材制造 | √ | — | — | — | — | — | — | |
| 复合制造、近净形制造 | √ | √ | — | — | — | — | — | |
| 部件精加工 | √ | √ | — | — | √ | — | — | |
| 连接装配与回收 | √ | — | — | — | — | — | — | |
注：“√”表示已开展相关技术工作，“—”表示无相关技术工作，“\”表示不适用。 |
分析表 9可知，地外空间制造领域目前还不是各参与机构针对ISRU研究的热点，多数机构仍处于探索如何制备用于空间制造材料的技术阶段。当前仅有NASA、ESA与DLR进行了空间制造流程中位于较后期的研究，如相关制造技术以及部件加工技术。在此之中，NASA的技术研究体系最为完整，已布局并实施了空间部件回收的技术研究。此外，ESA已发展至部件的精加工技术研发环节，而DLR的相关研究仍比较零散。
4 总结与展望
4.1 总结
4.1.1 ISRU技术研究已成为空间科学与应用领域热点
由于ISRU涉及围绕原位资源的勘查、采集、处理与利用进行的多学科领域的系统性能力测试，且在资源识别到产品交付的全过程均需开展大量应用性试验，当前针对ISRU的技术研究已成为空间科学与应用领域的一大热点。具体而言，以NASA为首的各参与国的研究机构目前均在进行或计划进行多种ISRU技术的开发工作，尤其是在原位资源勘查评估、设备可移动性与自主性，加工月壤等原位资源以提取氧气、金属等应用领域已获得多项技术性突破。
4.1.2 国外正在部署用于ISRU技术研究的模拟环境设施
由于月球的环境条件与地球大不相同，国外各机构已先后部署了多种组件级与子系统级别的用于ISRU技术研究的极端环境模拟设施，旨在模拟月球极端环境，如强辐射、高真空、大温差等。此外，还允许容纳月尘、月壤、岩石等与装备硬件相互作用以验证ISRU技术的可行性与有效性。当前该协调组内各机构开发的模拟环境设施中能达到的最大模拟真空度为10-11 kPa，最高模拟环境温度在400 K左右，然而现有的或计划研发的均缺少尺寸大于4.25 m的系统级别与更大型的空间环境模拟设施，以及具备模拟地外辐射与光照条件能力的设施。
4.1.3 该协调组内各国针对ISRU技术研究的重心和路线不同
通过解析该报告的ISRU差距评估结果不难发现，ISECG内各国针对ISRU技术的研究重心以及研究路线各有不同。NASA与ESA在整体上对于ISRU价值链的研究较为系统、全面，尤其在原位资源采集与处理、资源加工、地外空间制造等领域，目前已具备多项相关且成熟度较高的ISRU技术与测试设备。此外，德国对于月面原位建造过程与技术的研究已形成一定体系，而加拿大则分别重点针对原位资源的表征与获取流程设计了不同的技术路线。
4.2 展望
4.2.1 进一步深入开展多学科融合的ISRU基础研究与技术攻关
ISRU基础研究跨越多个学科，包括材料科学、机械工程、土木建筑、地质学、航空航天学等。因此，未来还需进一步深入开展上述多个学科融合的ISRU相关研究，共同探索如何在外太空环境中有效地利用当地资源。通过凝聚多学科智慧，针对包括装置自主性与表面移动、材料的运输与储存、能源供应与储存、生命支持系统等一系列ISRU关键技术进行攻关。此举不仅有助于大幅降低任务成本、减少对地球资源的依赖，还对逐步增强未来在地外建造中的竞争力与主动权具有重要意义。
4.2.2 进一步加强高保真极端环境模拟验证条件与平台建设
ISRU在具体地外任务中的开展需得到与其相当规模的先导性试验的测试与验证。因此，未来还应进一步加强高保真地外环境模拟平台的建设，特别是对于高低温、近真空、辐射、太阳能等极端条件的模拟能力的开发。对于模拟测试中的验证条件，在基于不同环境参数，如温度、压力、湿度等的组合下，确保其与实际应用场景相符。通过高保真极端环境模拟测试与验证条件优化，不仅可以更清晰地了解ISRU过程中各类材料与结构在地外环境下的服役性能，还有助于利用原位资源提升月面活动的可持续性，为未来的基地建设与太空探索提供更多的技术支持。
4.2.3 进一步结合深空探测需求推进高水平ISRU任务实施
协调实施高水平的ISRU任务对于解决地外建造中涉及的原位建材成形、建筑结构自主搭建等关键问题，实现可持续发展具有举足轻重的作用。因此，未来还应在结合深空探测需求的前提下，积极推进更多高水平ISRU任务的实施。通过细化各ISRU任务的时间表、资源需求、风险评估等因素，确保包括开展实地试验、验证技术可行性等在内的ISRU任务能够顺利进行。此外，ISRU任务所涉及的技术研究和应用需要多位相关方的共同努力，通过合作及分享经验、资源和技术，更好地推进高水平ISRU任务的实施，从而促进未来ISRU在地外建造领域中的发展，最终达到可持续性目标。
