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我国科学家不断破解月球“土特产”奥秘

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从“嫦娥之父”、中国科学院院士欧阳自远对月球开始研究并发出“中国人有能力踏上月球”的最强音,到探月工程成为国家重大科技专项,再到嫦娥系列探测器的发射,中国的探月脚步从未停歇。


  2020年12月17号,我国嫦娥五号探测器携带1731克月球“土特产”成功返回地球,这是人类40余年后再次采集月壤,也使中国成为继美国、前苏联之后,第三个成功采集月球土壤的国家。这些来之不易的珍贵月壤的研发进展情况,一直备受关注。


  嫦娥五号月壤样品能够带来哪些重大发现?在月球建设“房子”是否可行?最近,随着中核集团中国原子能科学研究院(下称中核集团原子能院)公布在相关月壤中测定40多种化学元素含量、清华大学研发科研团队提出利用月壤制成品建造半地下式月球基地等相关研发成果陆续发布,月壤背后的神秘面纱被逐步揭开。


  基础研究揭开月壤奥秘


  探月是为了拓展人类知识的边界,最大化地利用宇宙资源。自2021年7月以来,探月与航天工程中心已经陆续审核并组织发放三批月球科研样品,目前第四批月球科研样品正整装待发。在近9个月的时间里,我国科学家经过不懈努力,在嫦娥五号月壤样品上陆续取得发现和突破。


  随着技术和方法的不断改进和升级,我国科学家正在通过多种技术,揭开更多关于月球的奥秘。日前,中国知识产权报记者从中核集团原子能院了解到,该院研发团队利用核技术对嫦娥五号月球土壤样品进行分析研究,得到了与化学元素含量相关的最新研究成果。


  “我们使用核反应堆,对嫦娥五号月壤样品进行了研究,然后在这个研究里边精确测定了40多种化学元素的含量,包括主量元素、微量元素以及痕量元素。”中核集团原子能院核物理研究所所长郭冰表示,此次科研团队通过采用中子活化分析技术,对嫦娥五号所采集的月球样品进行了研究,发现嫦娥五号月球样品中所含有的化学元素含量与地球样品存在很大差异。


  深圳博物馆天文学策展人李百乐博士告诉中国知识产权报记者,我国对于月壤的研究已经有超过40年的历史。上世纪六七十年代,美国共采回月球样品约380千克,于1978年12月,将其中1克赠送给中国。我国收到后,将其中0.5克用来做科学研究,0.5克保存在北京天文馆供观众参观。也正是这1克月壤,开启了中国对于月球探索的步伐。


  此前,中核集团原子能院核物理研究所曾使用中子活化分析技术,对美国阿波罗号采集的月球样品进行研究,测定了样品中36种元素含量。而此次中核集团原子能院核物理研究所团队测定嫦娥五号月球样品不仅化学元素的数量更多,而且元素含量也有差异,分析准确度有较大提高。其研发成果还发表在国际化学领域最具权威和最有影响力的期刊之一《美国化学会志》上。


  “中子活化分析技术是一种高灵敏度、高准确度的核分析的方法,我们通过反应堆产生的中子去轰击待分析的样品,然后中子和样品发生核反应,放出它的特征射线,就像人的指纹一样,具有独特性。”郭冰表示,此次嫦娥五号月壤样品的研究成果对于加深人类对月球演化的认识,以及我国后续对月球探测与资源开发和利用具有重要意义。


  月球的岩浆作用在何时停止,一直是月球演化历史研究中的重大科学问题之一,此前关于月球样品的研究成果并未发现月球存在比29亿年年轻的岩浆活动。


  2021年10月8日,由中国地质调查局中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心刘敦一研究员和地质所海外高级访问学者澳大利亚科廷大学Alexander Nemchin教授领衔的国际研究团队,以嫦娥五号采集的月壤为研究对象的首篇学术成果《嫦娥五号年轻玄武岩的年代与成分》登上国际顶级学术期刊《Science》。该研究成果证明月球在19.6亿年前仍存在岩浆活动,使目前已知的月球地质寿命(29亿年)“延长”约10亿年。据了解,团队对嫦娥五号月球玄武岩开展了年代学、岩石学、矿物学研究,为完善月球演化历史作出了重要贡献。


  应用研究探索月球“盖房”


  自2020年我国嫦娥五号从月球带回真实月壤起,我国嫦娥探月工程发展计划已经完成了“绕、落、回”三步走,后续还有“勘、建、用”等计划。也就是说,在不远的将来,人类在月球上建设“房子”将成为可能。


  近日,在清华大学科学博物馆举行的第21期科学博物馆沙龙上,清华大学教授、土木工程系主任冯鹏从月面建造“房子”的角度分享了他的研究成果。开拓地外空间是整个人类的梦想和追求,在未来的30年至50年里,人类将可能在月球上建造城市,甚至去旅游度假,而这与冯鹏和他的团队现在所做的研究和创新息息相关。


  在中国神话中,月亮上有一座著名的建筑——广寒宫,而在古人的想象中,广寒宫无比豪华恢弘。但在“嫦娥五号”落地后拍摄的月球表面照片中,我们能看到月球其实非常荒凉。“月面建造基地难度很大,首先它需要以无人化和自动化的方式来实现,其次还面临着大温差、超真空、低重力、强辐射、少资源等挑战。”冯鹏对本报记者表示,目前,从地球携带大量材料用于月面基地等建设耗时耗力,而“就地取材”使用月壤等原位资源及材料必然可以大幅减少来自地球的发射质量和体积。


  在科学家的设想中,月面建造的对象包括场地、建筑物和构筑物三大类,场地经平整硬化形成基础道路,敞开式的构筑物用于设备及器械的存放,封闭式的建筑物则是容纳人类活动的主要空间。有鉴于此,冯鹏带领团队进行一系列技术攻关研发,并提出半地下式月球基地建造方案,采用充气气囊、月壤砖、月壤袋结构实现月球基地建设。


  “我们团队所研究的月面建造方案,主要利用月面上的月壤材料,结合抗拉性能优良的高性能纤维,通过相应的工艺制成月壤砖、月壤袋构件,辅以充气气囊,并通过机械臂实现施工。”冯鹏表示,此方案的原位资源利用率可达99%以上,原位资源适应性高。


  目前,冯鹏研发团队在月壤砖、月壤混凝土烧结等方面实现了技术创新,并提交“月球基地建造用月壤袋结构”“适用于月面硬化的微波烧结自动化设备”等多件中国专利申请。与此同时,我国科学家在相关领域研究如火如荼,例如我国哈尔滨工业大学苗常青团队针对月球基地对大尺寸居住密封舱的需求,提出一种具有月壤填充舱壁的充气展开式密封舱,并提交“一种具有月壤填充舱壁的充气展开式密封舱”等多件中国专利申请。


  探索浩瀚宇宙永无止境,攀登科技高峰任重道远。“古代人只能望月,而现在我们期待能在探月的基础上,实现驻月的梦想。在前所未有的极端环境、极度匮乏资源的情况下建造‘房子’,人类将面临着巨大的挑战。星河璀璨,求索无疆,我们才刚刚起航。”冯鹏表示。


  近日,“天质自清华——来自月球的问候”展在清华大学科学博物馆举办。清华附中的学生在观看嫦娥五号月球样品照片及半地下式月球基地建造模型。展览期间,清华大学教授、土木工程系主任冯鹏分享如何在月面上“盖房子”。


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