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嫦娥五号年内升空 我们为什么要去月亮上“挖土”?

馮傑

2020年07月20日 03:01

本报记者 付毅飞
科技日報(2020年7月20日)

爲了紀念人類首次成功登月,每年7月20日被定爲人類月球日。而時隔半個世紀,中國也要采集月壤了——

近日,隨著火星探測窗口期臨近,各國探火項目都已蓄勢待發。事實上,人類對于深空的探索熱情從沒有減弱過,無論是對火星,還是距離我們最近的天體——月球。

1969年7月20日20時17分43秒,阿波羅11號飛船降落在月球靜海地區。美國宇航員阿姆斯特朗在月球表面踩下了深深的印記,這是人類首次成功登月。爲了紀念這個激動人心的時刻,每年7月20日被定爲人類月球日。

不過,阿波羅計劃在科學領域最大的貢獻並非阿姆斯特朗的腳印,而是帶回了來自月球的岩石。從1969年到1972年,美國共完成6次載人登月,共帶回約382公斤月球樣品,獲取了大量科學成果。

時隔半個世紀,中國終于也要采集月壤了。按照計劃,我國將于2020年10月底發射嫦娥五號探測器,通過鏟取、鑽取兩種方式,采集月球樣品並帶回地球。

我們爲什麽要萬裏迢迢去月亮上“挖土”?這些樣品能發揮什麽作用?今天,我們一起去探尋。

不僅僅帶來月球新認識

幾十年前,隨著美國、蘇聯相繼從月球獲取樣本,幾千年來人們只能仰望、猜測的月球,被拉到了科學家的顯微鏡下,其神秘面紗被層層揭開。

除了認識月球,對這些樣品的研究,還幫助科學家確立了現代行星科學,爲認識各類行星的地質演化過程提供了參考。

美國史密森尼國家自然曆史博物館地質學家埃裏克·賈文曾撰文表示,來自月球的岩石徹底改變了我們對月球表面性質、月球起源以及太陽系演化三大問題的認識。

例如,行星化學家分析了月球樣本中的同位素組成,發現這些岩石大多比地球岩石更古老,年齡多在30億到45億年之間。隨後他們建立了一套模型,以此可以估算月球上任何位置的年齡。

中國科學院國家天文台研究員鄭永春認爲,月壤是從月球固體岩石圈到太陽系空間的過渡帶,包含著相關區域的大量信息。對月壤的研究不僅涉及月球本身,而且還包含太陽系空間物質和能量的重要信息。其中包括太陽系早期演化的曆史記錄、月岩和月壤的宇宙線暴露與輻照曆史、月球中揮發分的脫氣曆史、太陽風的組成、太陽表層的成分特征、小天體和微隕石撞擊月球的曆史記錄等。

美國國家航空航天局(NASA)阿波羅計劃的樣品負責人瑞安·齊格勒曾透露,幾十年間,NASA收到了3000多份研究特殊月球樣品的申請,來自十多個國家的500多名科學家提出了申請。NASA共向外發放5萬多份月球樣品,供天文學、生物學、化學、工程學、材料科學、醫學、地質學等不同領域的科學家進行研究。

1978年,時任美國國家安全事務顧問布熱津斯基訪華時,向中國贈送了1克月球樣品。這塊要用放大鏡才能看清楚的石頭被分成兩半,一半收藏在北京天文館,一半由中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠帶領團隊進行研究。“我們把它是什麽,它的年齡是多少,它包含哪些東西,全弄清楚了。”歐陽自遠說,科研人員不僅判斷出該樣本是在阿波羅17號任務中采集的,確認了采集地點,甚至還分析出石頭所在地區是否有陽光照射。根據對這塊石頭的研究,他們共發表了40篇文章。

除了科學成果,研究月球岩石對開發月球資源同樣意義重大。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹,研究月球樣品的重要成果之一,就是發現其中含有氦-3,這讓科學家極爲興奮。

氦-3是世界公認高效、清潔、安全的核聚變發電燃料。據計算,100噸氦-3所能創造的能源,相當于全世界一年消耗的能源總量。氦-3在地球上的蘊藏量極少,全球已知且容易取用的只有500公斤左右,而早期探測結果表明,月球淺層的氦-3含量多達上百萬噸,足夠解決人類的能源之憂。實際上,隨著人類對月球認識的加深,科學家發現月球氦-3的總儲量很可能更多。

中國月球采樣不“燒錢”

雖然月球樣品爲人類帶來了重要的科研成果,但在阿波羅計劃中,獲取樣品所要付出的代價也十分驚人。有人計算,美國從月球拿回來的382公斤樣品,花費的成本相當于同等重量鑽石的30多倍。

這並不奇怪,因爲阿波羅計劃原本就是個很燒錢的項目。“當時有一種說法:每發射一艘用于登月的土星五號重型火箭,相當于燒掉一艘航空母艦。”中國航天科工集團第二研究院研究員楊宇光說。

龐之浩介紹,一枚土星五號重型火箭造價高達5億美元,一艘阿波羅登月飛船比等重黃金貴十多倍。阿波羅計劃曆時11年,耗資255億美元,爲實施該計劃,NASA每年預算占到美國政府總預算的4.5%左右。

而且,阿波羅計劃的主要目的是把宇航員送上月球,采集樣品只是航天員的“作業”之一。龐之浩認爲,由宇航員開展采樣任務,具有較強的靈活性,可以有的放矢。同時宇航員可以進行移動式探測,尤其是從阿波羅15號任務開始搭載的月球車,其時速可達10公裏左右,能使宇航員的活動範圍大大增加。不過,載人任務不僅成本高,技術複雜程度也大幅增加。雖然美國人半個世紀前就能將宇航員送上月球,令人欽佩,但楊宇光認爲阿波羅工程技術途徑比較冒進,一些設備冗余做得很少,從安全性角度來看十分冒險。

我國即將實施的嫦娥五號任務,則是圍繞月球采樣返回的主要目標打造的無人探測任務。龐之浩表示,中國探月工程一直循序漸進,從無人到載人的發展比較科學,成本也低得多。不過嫦娥五號探測器著陸後只能在原地開展作業。

據國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠此前透露,嫦娥五號探測器的著陸地點爲月球正面西北部的呂姆克山脈。歐陽自遠曾介紹,我國選擇的著陸點距離阿波羅計劃著陸點有上千公裏距離,將會迎來新的現象、新的發現。

將是人類在太空的“哨所”

自1959年蘇聯發射“月球一號”拉開人類探月序幕至今,人類共發射130多個月球探測器,以環繞、著陸巡視,甚至是撞擊等方式對月球進行探測。

上世紀70年代中期,美蘇冷戰形勢逐漸緩和。蘇聯退出了載人登月競爭,美國也從狂熱中冷卻,停止了代價不菲的登月活動。此後近20年間,全世界進入了深入研究探月意義的冷靜思考階段。

這段時期,各國普遍認識到探月活動具有政治、社會、技術、科學和經濟等多方面意義。因而此後人類的探月活動方向,也由不惜代價服務于政治目的,轉變爲將科學探索和經濟利益相結合,最終的目的是合理開發月球資源。

1994年1月25日,美國發射了克萊門汀探測器,獲得了當時最詳細的月球表面圖像,並發現月球南極可能存在大量水冰。這次任務也宣告了全球第二次探月熱潮到來。

未來,月球或將成爲人類在太空中的“哨所”。龐之浩說,繼登月之後,“駐月”將成人類下一階段的目標。從月球上開采的水資源可用于宇航員生活,也可以分解成氫氧,制成航天器所需的氫氧燃料。在月球兩極的永久光照區,可以建設太陽能電站提供資源。在月球背面可以建設科研站,避開地球無線電幹擾遙望星空。前文提及的氦-3,或許在一段時期內很難便捷、廉價地運回地球,但可以在月球建設核聚變電站直接利用,將産生的電能以無線傳輸方式發送回地面。

屆時,月球基地不僅能爲人類提供資源,獲取科學成果,也將成爲人類前往遙遠深空的中轉站。


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2020年07月20日 10:58
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