月球“土特产”太珍贵 科学家“一土多吃”榨出最大价值

凝聚了无数航天人心血与智慧的1731克珍贵月壤样品该怎么用、在哪些领域使用才能更大地发挥其价值,一直是人们关注的问题。12月17日凌晨,赴月“出差”23天的嫦娥五号返回器成功降落在内蒙古四子王旗,嫦娥五号“挖土”任务顺利完成。

此次任务共带回约1731克月壤样品,之后,这些珍贵的月壤样品将进入科研领域,为人类了解月球、探索更遥远的深空提供重要参考。但是,嫦娥五号千辛万苦带回来的月壤样品为什么一定要保证“原汁原味”,又是怎样做到的?对待这些用一点少一点的样品,科学家们准备采取怎样的方式进行分析研究呢?为此科技日报记者采访了相关专家。

分析结果受影响已有前车之鉴

在采样、封装、运输、开舱、移交的整个过程中,如何保证此次嫦娥五号带回来的月壤样品不被污染是设计者们极为关注的问题,直接关系到后续的分析、研究工作能否顺利开展以及月壤样品分析的成果能否取信于人。

“地球大气中存在的氧气、水分,甚至地球环境中的各类微生物等,都有可能对样品造成污染。”嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍,在阿波罗登月时代的两个案例可以很好地证明这一点。“在对阿波罗带回的月壤样品进行分析后,曾有科学家宣布月壤中是含水的,但这受到很多人的质疑,因为在阿波罗的样品运输、处理中都无法确保其未接触地球的大气,而根据我们从地球上对于月球的观测,在月球正面的大部分区域是没有水冰的,即便有,在月球真空且直接受到太阳辐射等的环境条件下,也很快就挥发掉了。因此,相关结论并未得到学界的认可。”

“1969年,阿波罗12号登月后,宇航员造访1967年降落在月球上的勘查者3号,从已经着陆两年多的探测器上取回了一些设备,用于研究长期暴露在月球上的设备是否会受到诸如月尘、高低温变化、太空辐射等的影响。但令人惊讶的是,后来有科研人员在设备内部检测出了一种地球上的微生物链球菌,对此科研人员提出了两种可能的解释,一是月球上确实存在这种微生物,二是这种微生物是勘查者3号从地球带去的,在月球上生存了两年,没有被严酷的空间环境杀死。这两种解释,无论取信哪一种,都是令人震惊的,在当时引起了很大的争议。后来,直到2000年,一些从事行星保护的研究者分析当时的过程录像,发现参与研究的科研人员的衣服都是短袖,很可能是他们暴露在外的皮肤上的微生物污染了样品,才得出了这样的错误结论。因此,后来美国国家航空航天局(NASA)改进了地外天体样品分析的流程,避免再次发生这样的错误。”彭兢说。

“双保险”保证样品不被污染

此次对月壤样品的保护主要依赖于两层防护。首先是采用漏率极低的密封封装装置。“在月壤样品尚未返回地球时,无论是在月球表面的采样过程,还是在太空中的交会对接和样品转移过程,都能够保证真空环境,需要担心的是温度变化可能对样品造成的影响。为此,科研人员将返回器中密封封装装置的温度保持在-25℃—55℃,这个温度与月球自身的温度范围(-180℃—130℃)相比变化很小,因此对月壤样品没有影响。特别是在返回器进入地球大气的过程中,尽管返回器表面温度高达2000℃—3000℃,但密封封装装置内的温度依旧能够保持在这个区间范围内。”彭兢说。与此同时,嫦娥五号采用的密封封装装置漏率极低,可以确保回到地球后,即便在地球大气中停留72小时左右,也不会有其他物质进入装置污染月壤样品。

第二层保护是在返回地球后交接、运输和处理过程中的相关措施。当密封封装装置转交给科学家时,他们会使用一种专门的保护装置来存放密封封装装置,里面充了保护性氮气。“氮气是一种惰性气体,参考过去的处理经验,科学家认为其与月壤样品间不会发生反应,因此在样品转移、运输过程中能最大限度地保护密封封装装置中的月壤样品。后续在地面实验室内打开密封封装装置的过程中,研究人员也需戴着手套在充氮的特殊装置内处理密封容器和月壤样品,从而尽可能保持月壤样品的原始形态。”彭兢说。

为了保存和处理好月壤样品,地面应用系统的科学家们想尽办法,建设了专门的存放设施和样品处理分析实验室,制定了详尽的操作规程,尽可能保证月壤样品不被污染,从而获得正确可信的科研成果。

“多管齐下”节约珍贵样品

凝聚了无数航天人心血与智慧的1731克珍贵样品该怎么用、在哪些领域使用才能更大地发挥其价值,一直是人们关注的问题。

所谓无损分析,即在不损害或不影响被检测对象内部组织的前提下,对被检测对象内部及表面的结构、状态等进行检查和测试的方法。“样品回来后根据正常程序,要经过一个无损—少损—有损的分析过程,以保证最大的科学产出。”中国地质大学(武汉)地球科学学院教授肖龙说。无损分析可以帮助研究者了解样品的基本情况。吉林大学地球探测科学与技术学院教授赵玉岩表示:“目前常见的无损分析比如X射线荧光光谱法,就是利用X射线光管发出的初级X射线激发样品中的原子,通过分析样品中不同元素产生的特征荧光X射线波长(或能量)和强度,获得样品中的元素组成与含量信息。”

为了节约样品,在不得不损害样品时,研究者也倾向于使用微量分析,在这种分析方法中,被测物质的许可量通常仅约为常量的百分之一,重量约为1—15毫克。“比如激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术,该技术是将激光束聚集于样品表面使之融蚀气化,并通过载气将样品微粒载入等离子体中电离,经质谱系统进行质量过滤,最后用接收器分别检测不同质荷比的离子。这种技术直接剥蚀固体样品,避免了试剂污染、样品分解不完全、易挥发元素丢失等问题,而且消除了水和酸造成的多原子离子干扰。此外,微量技术手段还包括纳米离子探针技术、显微激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱法等。”赵玉岩说,目前的分析技术已经开始向智能化、小型化、在线式及仪器联用方向发展,但针对月壤样品的珍贵性和特殊性,还需要进一步完善分析方法,提高相应仪器的灵敏度和分辨率,研发新技术新方法。

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月壤样品能告诉我们这些

通过对月壤样品的分析,可以对研究者建立的用以估算天体表面年龄的数学模型的结果进行校正。肖龙说:“已有的月球年代曲线是用人类现有的月球样品校正过的,基本覆盖从39亿年到30亿年,但从30亿年到十几亿年的数据由于缺乏样品无法校正,此次嫦娥五号带回的样品刚好弥补了这段时间的空白。”

同时,此次获得的月壤还能够为人们了解月球地质演化提供重要参考。嫦娥五号着陆区是月球上规模最大的晚期玄武岩之一,其获取的玄武岩样品比美国阿波罗计划和苏联月球16号获取的样品都要“年轻”。吉林大学地球探测科学与技术学院教授孟治国说:“玄武岩的年龄越小,意味着其源区越深。以这些采样为代表的深部月幔物质和以阿波罗计划玄武岩为代表的浅部月幔物质,在钛铁含量、矿物成分上必定会存在差异。研究者希望从中获得晚期玄武岩源区地球化学和矿物学性质及其同位素和微量元素特征的新知识;了解放射性元素钍(Th)的富积机制及其在后期火山活动中的作用;提高对晚期月球内部热演化历史的理解,进而检验和约束月球热演化的模型,解读月球火山活动晚期的一些悬而未决的问题。”

孟治国指出:“除了天文学领域,月壤对于微生物领域、资源领域等也有重大意义。对于前者而言,建立永久月球基地是未来行星探测的重要发展方向之一。要实现这一目标,研究微生物在月表的适宜性、月壤是否适合微生物生长和繁衍,是否适合农业开发都是绕不开的问题;而在月球资源方面,这次采样得到的是钛铁含量最高的月壤物质,其中氦-3的含量也会更高,我们期待这次采样分析能对氦-3的含量、分布特征和分布规律有更高层次的理解。同时,钛铁矿本身也是一种重要的月球资源,钛、铁提取的副产品是人类生活必须的水,水电解后的氢和氧也是人类在月球开展科研活动的必需资源。”

科技日报
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