一年了,月球“土特产”带给中国这些惊喜

宇宙浪漫不止,还有月亮可以寄望。去年7月12日,国家航天局探月与航天工程中心举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式,月球样品科学研究工作正式启动。2020年12月17日,嫦娥五号返回器携带1731克月球样品成功返回地球,推动人类月球样品研究进入“嫦娥时代”。

宇宙浪漫不止,还有月亮可以寄望。

去年7月12日,国家航天局探月与航天工程中心举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式,月球样品科学研究工作正式启动。

恰逢启动工作一周年,科普纪录片《神奇的嫦娥五号》正式发布,该片以嫦娥五号任务从发射到回家全过程的关键环节为主线,以纪录+科普的方式再现了嫦娥探月的神奇之旅,用纪实+动画的形式讲述了嫦娥探月的科学原理。

2020年12月17日,嫦娥五号返回器携带1731克月球样品成功返回地球,推动人类月球样品研究进入“嫦娥时代”。这一年,我国取得了哪些科研成果?

月球“死亡年龄”被改写

2021年7月,中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士团队仅用7天完成分析测试,16天完成论文撰写投稿,100天在《自然》上同时发表3篇文章,揭示了嫦娥五号玄武岩形成于20亿年前,是目前月球上确定的最年轻的火山岩。

岩浆作用是一个星球生命力的表现。李献华介绍,嫦娥五号在月球上的着陆点位于风暴洋西北处吕姆克山附近,这片着陆区是最年轻的月海玄武岩单元之一。了解月球最年轻的岩浆活动结束于何时,就能知道月球“死亡”时间。

过去,人们通过对月球陨石和美国阿波罗号带回的月壤样品的研究结果,推测月球“死”于大约28亿年前。李献华团队将科学界认知的月球岩浆活动结束时间推迟了8-9亿年,创造了月球岩浆作用-热演化历史研究的“中国速度”。

李献华说,在样品到达研究所的第53个小时,团队就获得了嫦娥五号玄武岩第一个定年数据,还发现月幔中并不富含放射性生热元素;第55个小时又获得了第一个氢同位素和水含量数据,发现月幔非常“干”,含水量仅为百万分之一至百万分之五。

此前,科学家们曾猜测月球岩浆在较晚的年代仍在活动,可能是该区域表面的放射性生热元素含量高,也可能是水含量高导致岩浆凝结更慢。现在,这两个猜测都被否定了。李献华团队的重要发现为今后月球探测和月球演化提出了新的科学问题和研究方向。

月球内部原生水被发现

月球有没有水,有多少水,是什么形式的水,水来自于哪里,都存在着很大的争议,一直是月球科学的研究热点。

2022年6月,中国科学院国家天文台李春来、刘建军研究员和上海技术物理研究所舒嵘研究员领导的团队,与中科院地质地球所、物理所、西安光机所、地球化学所、北京空间飞行器总体设计部、北京航天飞行控制中心、北京空间机电研究所等单位合作,在国际上首次根据月球样品的实验室分析结果和月表就位探测的光谱数据,检验了月球样品中水的有无、形式和多少,回答了嫦娥五号着陆区水的分布特征和来源问题,为遥感探测数据中水的信号解译和估算提供了地面真值。

目前认为月球“水”的来源主要有三种可能:一是太阳风粒子与月表物质相互作用产生的(动态)羟基物质;二是撞击月球的彗星或陨石带来的水和含羟基物质;三是月球原生(内部)水。

阿波罗月球样品研究认为,月壤中(撞击)胶结玻璃包含了太阳风长期注入形成的羟基物质,胶结玻璃的含量是影响月球样品中“水”含量的重要因素。

我国返回样品的实验室分析表明,嫦娥五号月球样品是一类年轻玄武岩,胶结玻璃含量很少(不足16%),仅为“阿波罗11”月球样品的1/3,由此估算嫦娥五号月壤样品中来自太阳风注入胶结玻璃形成的“水”不多于18ppm。嫦娥五号着陆区月壤样品中外来撞击溅射物非常低,对“水”的贡献可以忽略。因此嫦娥五号月壤样品中肯定存在来源于月球内部的原生水。

未来可控核聚变燃料氦-3被找到

为什么月球具有丰富的战略资源氦-3?氦-3在月球上是以什么形式储藏的?如何原位开采氦-3?最新研究发现,月壤玻璃在捕获和保存氦-3气体中发挥了关键作用。

2022年6月,中科院物理所汪卫华院士、航天五院杨孟飞院士、南京大学邹志刚院士领衔的月壤物性研究及综合利用项目团队,对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究,发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。

研究人员在玻璃层中观测到了大量的氦气泡,直径大约为5—25nm,且大部分气泡都位于玻璃层与晶体的界面附近。而在颗粒内部晶体中,基本没有氦气泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度,研究人员认为氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中,之后在晶格的沟道扩散效应下,氦会逐渐释放出来。而表层玻璃具有原子无序堆积结构,限制了氦原子的释放,被捕获并逐渐储存起来,形成了气泡。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性,在月球上捕获并保存了丰富的氦-3资源。

氦-3作为氦的一种同位素,在能源、科学研究等领域具有重要应用价值。作为一种可控核聚变的燃料,氦-3核聚变产生的能量是开采所需能量的250倍,是铀-235核裂变反应(约为20)的12.5倍。100吨氦-3核聚变产生的能量即可供应全球使用1年,且氦-3核聚变过程无中子二次辐射危险,更加清洁和可控。另外,氦-3是获得极低温环境的关键制冷剂,是超导、量子计算、拓扑绝缘体等前沿研究领域的必需物质。

目前,地球上氦元素主要是氦-4,氦-3储量只有0.5吨左右,远远无法满足现有需求。因此,探明月壤中氦-3的储藏形式,对未来认识月球是如何捕获氦-3,如何开发利用氦-3资源至关重要。

一年了,我们重新给出了月球的“死亡年龄”,知道了月球内部有水,甚至发现了月球上丰富的战略资源……未来,我们期待更多科研成果诞生,于微尘中窥探更清晰的月球。

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