2020-12-28 16:19:12聖天使

月球「土特產」太珍貴 科學家「一土多吃」榨出最大價值

嫦娥五号成功降落四子王旗,外网友 2020年最伟大的太空成就


月球「土特產」太珍貴 科學家「一土多吃」榨出最大價值

凝聚了無數航天人心血與智慧的1731克珍貴月壤樣品該怎麼用、在哪些領域使用才能更大地發揮其價值,一直是人們關注的問題。

12月17日凌晨,赴月「出差」23天的嫦娥五號返回器成功降落在內蒙古四子王旗,嫦娥五號「挖土」任務順利完成。此次任務共帶回約1731克月壤樣品,之後,這些珍貴的月壤樣品將進入科研領域,為人類了解月球、探索更遙遠的深空提供重要參考。


但是,嫦娥五號千辛萬苦帶回來的月壤樣品為什麼一定要保證「原汁原味」,又是怎樣做到的?對待這些用一點少一點的樣品,科學家們準備採取怎樣的方式進行分析研究呢?為此科技日報記者採訪了相關專家。


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分析結果受影響已有前車之鑑

在採樣、封裝、運輸、開艙、移交的整個過程中,如何保證此次嫦娥五號帶回來的月壤樣品不被污染是設計者們極為關注的問題,直接關係到後續的分析、研究工作能否順利開展以及月壤樣品分析的成果能否取信於人。


「地球大氣中存在的氧氣、水分,甚至地球環境中的各類微生物等,都有可能對樣品造成污染。」嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹,在阿波羅登月時代的兩個案例可以很好地證明這一點。「在對阿波羅帶回的月壤樣品進行分析後,曾有科學家宣布月壤中是含水的,但這受到很多人的質疑,因為在阿波羅的樣品運輸、處理中都無法確保其未接觸地球的大氣,而根據我們從地球上對於月球的觀測,在月球正面的大部分區域是沒有水冰的,即便有,在月球真空且直接受到太陽輻射等的環境條件下,也很快就揮發掉了。因此,相關結論並未得到學界的認可。」


「1969年,阿波羅12號登月後,宇航員造訪1967年降落在月球上的勘查者3號,從已經着陸兩年多的探測器上取回了一些設備,用於研究長期暴露在月球上的設備是否會受到諸如月塵、高低溫變化、太空輻射等的影響。但令人驚訝的是,後來有科研人員在設備內部檢測出了一種地球上的微生物鏈球菌,對此科研人員提出了兩種可能的解釋,一是月球上確實存在這種微生物,二是這種微生物是勘查者3號從地球帶去的,在月球上生存了兩年,沒有被嚴酷的空間環境殺死。


這兩種解釋,無論取信哪一種,都是令人震驚的,在當時引起了很大的爭議。後來,直到2000年,一些從事行星保護的研究者分析當時的過程錄像,發現參與研究的科研人員的衣服都是短袖,很可能是他們暴露在外的皮膚上的微生物污染了樣品,才得出了這樣的錯誤結論。因此,後來美國國家航空航天局(NASA)改進了地外天體樣品分析的流程,避免再次發生這樣的錯誤。」彭兢說。



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「雙保險」保證樣品不被污染

此次對月壤樣品的保護主要依賴於兩層防護。首先是採用漏率極低的密封封裝裝置。「在月壤樣品尚未返回地球時,無論是在月球表面的採樣過程,還是在太空中的交會對接和樣品轉移過程,都能夠保證真空環境,需要擔心的是溫度變化可能對樣品造成的影響。


為此,科研人員將返回器中密封封裝裝置的溫度保持在-25℃—55℃,這個溫度與月球自身的溫度範圍(-180℃—130℃)相比變化很小,因此對月壤樣品沒有影響。


特別是在返回器進入地球大氣的過程中,儘管返回器表面溫度高達2000℃—3000℃,但密封封裝裝置內的溫度依舊能夠保持在這個區間範圍內。」彭兢說。與此同時,嫦娥五號採用的密封封裝裝置漏率極低,可以確保回到地球後,即便在地球大氣中停留72小時左右,也不會有其他物質進入裝置污染月壤樣品。


第二層保護是在返回地球後交接、運輸和處理過程中的相關措施。當密封封裝裝置轉交給科學家時,他們會使用一種專門的保護裝置來存放密封封裝裝置,裡面充了保護性氮氣。


「氮氣是一種惰性氣體,參考過去的處理經驗,科學家認為其與月壤樣品間不會發生反應,因此在樣品轉移、運輸過程中能最大限度地保護密封封裝裝置中的月壤樣品。後續在地面實驗室內打開密封封裝裝置的過程中,研究人員也需戴着手套在充氮的特殊裝置內處理密封容器和月壤樣品,從而儘可能保持月壤樣品的原始形態。」彭兢說。


為了保存和處理好月壤樣品,地面應用系統的科學家們想盡辦法,建設了專門的存放設施和樣品處理分析實驗室,制定了詳盡的操作規程,儘可能保證月壤樣品不被污染,從而獲得正確可信的科研成果。


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「多管齊下」節約珍貴樣品

凝聚了無數航天人心血與智慧的1731克珍貴樣品該怎麼用、在哪些領域使用才能更大地發揮其價值,一直是人們關注的問題。


所謂無損分析,即在不損害或不影響被檢測對象內部組織的前提下,對被檢測對象內部及表面的結構、狀態等進行檢查和測試的方法。「樣品回來後根據正常程序,要經過一個無損—少損—有損的分析過程,以保證最大的科學產出。」中國地質大學(武漢)地球科學學院教授肖龍說。


無損分析可以幫助研究者了解樣品的基本情況。吉林大學地球探測科學與技術學院教授趙玉岩表示:「目前常見的無損分析比如X射線熒光光譜法,就是利用X射線光管發出的初級X射線激發樣品中的原子,通過分析樣品中不同元素產生的特徵熒光X射線波長(或能量)和強度,獲得樣品中的元素組成與含量信息。」


為了節約樣品,在不得不損害樣品時,研究者也傾向於使用微量分析,在這種分析方法中,被測物質的許可量通常僅約為常量的百分之一,重量約為1—15毫克。

「比如激光剝蝕電感耦合等離子體質譜技術,該技術是將激光束聚集於樣品表面使之融蝕氣化,並通過載氣將樣品微粒載入等離子體中電離,經質譜系統進行質量過濾,最後用接收器分別檢測不同質荷比的離子。


這種技術直接剝蝕固體樣品,避免了試劑污染、樣品分解不完全、易揮發元素丟失等問題,而且消除了水和酸造成的多原子離子干擾。


此外,微量技術手段還包括納米離子探針技術、顯微激光拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜法等。」趙玉岩說,目前的分析技術已經開始向智能化、小型化、在線式及儀器聯用方向發展,但針對月壤樣品的珍貴性和特殊性,還需要進一步完善分析方法,提高相應儀器的靈敏度和分辨率,研發新技術新方法。


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通過對月壤樣品的分析,可以對研究者建立的用以估算天體表面年齡的數學模型的結果進行校正。肖龍說:「已有的月球年代曲線是用人類現有的月球樣品校正過的,基本覆蓋從39億年到30億年,但從30億年到十幾億年的數據由於缺乏樣品無法校正,此次嫦娥五號帶回的樣品剛好彌補了這段時間的空白。」


同時,此次獲得的月壤還能夠為人們了解月球地質演化提供重要參考。嫦娥五號着陸區是月球上規模最大的晚期玄武岩之一,其獲取的玄武岩樣品比美國阿波羅計劃和蘇聯月球16號獲取的樣品都要「年輕」。

吉林大學地球探測科學與技術學院教授孟治國說:「玄武岩的年齡越小,意味着其源區越深。


以這些採樣為代表的深部月幔物質和以阿波羅計劃玄武岩為代表的淺部月幔物質,在鈦鐵含量、礦物成分上必定會存在差異。研究者希望從中獲得晚期玄武岩源區地球化學和礦物學性質及其同位素和微量元素特徵的新知識;了解放射性元素釷(Th)的富積機制及其在後期火山活動中的作用;提高對晚期月球內部熱演化歷史的理解,進而檢驗和約束月球熱演化的模型,解讀月球火山活動晚期的一些懸而未決的問題。」


孟治國指出:「除了天文學領域,月壤對於微生物領域、資源領域等也有重大意義。對於前者而言,建立永久月球基地是未來行星探測的重要發展方向之一。


要實現這一目標,研究微生物在月表的適宜性、月壤是否適合微生物生長和繁衍,是否適合農業開發都是繞不開的問題;而在月球資源方面,這次採樣得到的是鈦鐵含量最高的月壤物質,其中氦-3的含量也會更高,我們期待這次採樣分析能對氦-3的含量、分布特徵和分布規律有更高層次的理解。

同時,鈦鐵礦本身也是一種重要的月球資源,鈦、鐵提取的副產品是人類生活必須的水,水電解後的氫和氧也是人類在月球開展科研活動的必需資源。」---(光明網)


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