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珍稀的月球“泥土”:探索月壤的不凡价值

2024年6月27日| 浏览:536次| 字体:
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  嫦娥六号凯旋,带回月球背面的珍稀“土特产”!这是人类首次月背采样返回,每一粒土壤都承载着月球深处的秘密与宝藏。为何世界上的航天大国都以从月球取一捧土为目标?这些灰色的土壤有何利用价值?

  一、1克月壤的来历

  上世纪60-70年代,二战后迅速发展成两个超级大国的美国和苏联将争霸目标锁定在了距地球38万千米之外的地球唯一的卫星——月球。一系列用于登陆这颗星球的黑科技被发明出来,并用于探索月球的工程实践中。现如今我们看到一大批曾经用于登月的笨重的航天器就是那个年代的“神作”。在那场月球争霸赛中,美国一共带回382千克月壤和月岩,其中1972年的阿波罗17号任务中,宇航员一次就把110.5千克月球样品带回地球。

  相对于美国宇航员开着月球车在月球表面取样的热闹场面,利用两台“澡盆形状”的机器人精确取样的苏联则显得“彬彬有礼”了许多。完全依靠自动化完成取样返回的苏联人共为人类“月球返回样品”大家庭贡献了301克月壤。时至今日,能够独立探索地外天体依然被视作世界上科技强国王冠上的宝石。伴随着一次又一次震撼人心的火箭发射,集人类智慧之大成的各类探测设备被送往地外世界。

  1978年5月时任第39任美国总统的吉米·卡特派遣国家安全事务助理布热津斯基访华,意在打破当时中美两国隔阂的局面。老布此行除了将一面据说被带上过月球的五星红旗,还有重1克由阿波罗17号登月宇航员采到的月岩赠送给中国政府。这份珍贵的样品后来被分成两部分,其中0.5克用于科普被北京天文馆收藏,我国的天体化学家欧阳自远院士则将另外的0.5克用于科学研究,并拉开了中国人月壤研究的序幕。

  二、月壤的起源

(这是在中国国家博物馆拍摄的月球样品001号。新华社记者 金良快 摄)

  众所周知,月球作为地球的卫星使地球免受宇宙中小天体的威胁而功不可没。月球表面也因此变得凹凸不平,形成许多由于陨石撞击而形成的环形坑地貌。根据月球采样的实验室研究结果和环绕月球的轨道探测器的遥感数据解译,现今的月球表面月壤平均厚度为4到5米。形成这样的厚度,科研人员们猜测其起源主要有以下两种:

  松散粘性土假说 由于在真空条件下尘埃粒子表面没有氧化膜,所以需要考虑尘埃粒子接触处的黏性。月球表面月壤结构松散,在上层月壤重力和陨石频繁撞击的影响下,越往深处月壤越密实。

  大块矿物构成月壤 月貌是由于陨石撞击而形成的。在陨石撞击过程中形成了大量的碎屑物质层,这种物质层在撞击坑坑唇附近的厚度为10米-100米,在撞击坑之间区域的厚度达到1m。在这种情况下,月壤表层是由松散多孔的物质构成,这些物质是由陨石频繁撞击产生的。

  月球表面没有地球上的风化和流水侵蚀作用。由于没有浓密大气层保护,月面的物质完全暴露在太阳辐射面前。宇宙高能辐射及太阳风粒子的不断撞击、巨大的月球昼夜温差等因素加速了月球表面岩石的碎化。伴随着月壳地质活动,经过亿万年演化,月球表面覆盖了厚厚的尘埃,从而形成了月壤。

  与地球上大部分富含微生物和水分的“土壤”不同,月壤干燥而成粉末状。根据阿波罗系列探测任务、月球探测任务、嫦娥探月计划得到的数据分析结果,月壤及月岩的化学组成主要是硅、镁、铝、钙、铁、锰、镍等14种元素的氧化物。月壤的密度约每立方厘米1.5克,月壤中的矿物碎屑主要为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿、尖晶石、玄武岩、斜长岩、橄榄岩、苏长岩、角砾岩碎屑、熔融岩、微角砾岩、撞击玻璃、火成碎屑玻璃等。您瞧!看似简单的月壤其化学成分、岩石类型和矿物组成非常复杂。

  三、月尘对探索月球的影响

  月尘是月壤的主要成分。月尘一般直径约10微米,就是这样小的粗糙尘埃却会对宇航员及深空探测设备的供电及机械构件造成长期不可逆转的影响:由于月尘的附着及黏滞特性,宇航员所穿戴的宇航服关节部位可能出现活动困难;月球车动力及机械臂连接部会因大量带静电月尘的附着而失灵;绕月飞行的轨道探测器太阳能电池帆板因长期与大量月球尘埃碰撞摩擦而使其功率受到较大影响。

  月尘以不仅在微观,而更多表现在宏观方面的作用方式影响着人类开展月球探测的节奏。不仅如此,月尘在月球物理场及地质学研究中也正在扮演着“示踪体”的重要角色。由于月尘在月球表面的广泛而多层分布的特性,科研人员得以利用这类特性来构建诸如:月球静电场分布、月球局部磁场特性、月球大气密度及分布等“隐形”月球物理场模型。

  四、建造月球基地

  人类为了了解地球之外世界的奥秘付出了巨大努力。通过建造光学天文望远镜、射电望远镜等各类望远镜窥探宇宙在各个波段中的样子,我们所处周围宇宙空间正在变得立体而清晰。通过发射各类探测器,太阳系内的行星以及他们的卫星的神秘面纱逐渐被揭开。在这些星球上,我们将更加清晰且没有人为干扰地开展更多探索性实验和观测,更加准确地了解周围的宇宙世界。从地球唯一的卫星——月球上回望地球,我们可以对我们的蓝色家园的临近空间环境以及大气圈层进行不间断的监测。

  地球作为呵护生命的摇篮在庇护和养育地球生物的同时,赐予了我们走向远方的契机。经过23年的建造和运营,人类利用国际空间站完全掌握了在近地轨道上生活工作的本领。月球和火星成为我们施展基建本领的新大陆。在彻底解决宇宙辐射、饮食自给、生理极限等一系列困扰人类在地外天体上生存难题之前,我们需要利用机器人继续为我们搜集更多科学资料已供研究,以学习更多地外生存知识。也许我们会通过建造月球空间站以“近在咫尺”的方式继续观察这个即将登陆的世界。为了能在月球上就地取材制造建筑材料甚至是科学仪器,科研人员与工程师联手对月壤正进行着前所未有的研究。目标是通过3D打印技术将月壤变成有人值守月球基地的建筑部件,从而摆脱从地球向月球运送建筑材料的繁重而又昂贵的劳动。

  看上去并不起眼的灰色月壤不仅能为我们“遮(太阳)风挡(陨石)雨”,还可以为我们提供清洁能源,甚至是水源。通过大量月球全球光谱数据以及月球样品的分析,月壤中富含氦3等可利用的未来能源。当然,就目前人类掌握的知识,完全掌握提取或高效地就地利用这些资源的技术我们尚需时日。

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