月球钛铁矿原位分选富集多物理场仿真与优化分析

月球环境条件下月壤原位分选富集过程表明：干式磁选法可有效实现月壤中钛铁矿的分选富集，磁场强度是决定钛铁矿分选富集性能的决定性因素；月面弱重力环境、月壤带电特性能有效提升钛铁矿的分选富集程度。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第1期。

月球资源的探测与利用是未来探测任务的重要目标，其中月壤矿物的分选与处理是实现资源开发的基础。传统方法在复杂环境中受限，难以高效分选月壤中的磁性矿物。中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队，联合北京合工仿真技术有限公司技术人员，提出了一种基于干式磁选法的月壤磁性矿物分选方案，通过调整磁场强度和滚筒转速，实现不同磁性特征颗粒的高效分离。

基于嫦娥五号样品的表征数据，研究团队采用有限元方法对磁选装置及磁场分布进行建模分析，同时通过仿真模拟月壤颗粒的形貌及物理特性，揭示了多物理场下颗粒运动行为。结果表明，在特定条件下，可显著提升钛铁矿的富集效率（图1）。此外，月球弱重力环境和颗粒带电特性进一步促进了富集过程。

图1 六种类型月壤颗粒在特定条件下分选富集的精矿品位及回收率

分选条件: 磁感应强度0.27T、滚筒转速80r min ⁻¹ 。其中红色和白色颗粒分别代表磁性和非磁性月壤颗粒

分选装置的磁系由一组永磁体组成, 为了准确表征装置内的磁场特性并模拟多种物理介质之间的相互作用, 采用有限元分析方法(FEA)进行磁场模拟（图2）。本研究基于有限元方法, 使用COMSOL Multiphysics软件模拟了分选装置周围的磁感应强度和空间分布特征。该软件通过云图和等势线有效地可视化了磁感应强度分布。月壤分选富集装置的磁感应强度分布特性显示，磁场线集中于磁极中心并向边缘扩散，最大磁感应强度（2.48T）出现在磁极与轭铁连接的棱角处，外磁极表面平均强度约为0.74T，随距离增加逐渐减小且呈周期性波动。磁场强度在20mm径向距离处接近0，梯度在12mm处降至约0 A mm⁻²。

图2 分选富集装置磁感应强度( B )计算仿真结果

(a) 磁感应强度大小分布云图和等势线; (b) 沿着磁铁外磁极不同圆周位置处的磁感应强度值

作用在磁性颗粒上的磁场力（ H ·grad H ）最大值为3.70×10¹³ A² mm⁻³，集中于磁铁与轭铁连接棱角处，随径向距离迅速减小（图3）。滚筒圆周方向磁场力交替变化，增强了颗粒的翻转运动，有助于磁性与非磁性颗粒的有效分离。

图3 分选装置磁场强度( H )和磁场力( H ·grad H )大小仿真计算结果

(a) 分选装置磁场强度( H )和磁场梯度(grad H )大小仿真计算结果; (b) 分选装置滚筒周围磁场力( H ·grad H )大小仿真计算结果

为研究月球空间环境对月壤颗粒分选富集性能的影响，分别在地球和月球重力条件下对月壤颗粒的分选性能进行了建模与仿真分析。结果表明，在磁感应强度0.43T、滚筒转速50r/min条件下，月球弱重力（~1g/6）显著延长了磁性和非磁性颗粒的分选时间（0.49s 对比地球的0.28s），并将分选距离提高至39.93mm（地球条件下为7.55mm）。这一差异主要由于弱重力减少了滚筒表面颗粒的切向重力分量，延长了磁性颗粒的运动距离。此外，仿真表明月壤颗粒的荷电特性影响其运动轨迹。在月球环境中，带电颗粒因洛伦兹力作用，分选性能略有差异（图4）。同时，月昼与月夜条件及月球磁异常区域的表层月壤荷电特性不同，可能对分选过程产生显著影响。

图4 月球环境条件对分选富集效果的影响

(a) 地球重力条件下正电性月壤颗粒的分选富集结果; (b) 月球重力条件下正电性月壤颗粒的分选富集结果; (c) 月球重力条件下电中性月壤颗粒的分选富集结果

研究验证了干式磁选法在月壤矿物分选富集中的可行性，成果为月球矿物采集、处理与利用提供了理论与技术支持，尤其是支撑月壤钛铁矿原位还原制水技术的发展，为月球水氧资源的原位获取奠定了基础。