第二批月球科研樣品處理完成 氦-3撬開(kāi)月球能源寶庫(kù)大門

7月30日，據(jù)中國(guó)探月與深空探測(cè)網(wǎng)報(bào)道，探月工程三期地面應(yīng)用系統(tǒng)目前已完成第二批月球科研樣品的處理，嫦娥五號(hào)任務(wù)第二批月球科研樣品信息上線發(fā)布。

就在不久前，第一批1731克的月球科研樣品成為我國(guó)科學(xué)界的“香餑餑”。

7月12日，國(guó)家航天局探月與航天工程中心在北京國(guó)家天文臺(tái)舉行嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，13家科研機(jī)構(gòu)成為首批開(kāi)展月球科研樣品研究的單位。其中，中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院(以下簡(jiǎn)稱核地研院)得到了50毫克月球樣品。

7月16日，核地研院開(kāi)箱啟用月球樣品，揭牌成立核地研院月球樣品分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，宣布正式啟動(dòng)嫦娥五號(hào)月球樣品科研工作。

月球，這片古人眼中的極陰之地，究竟蘊(yùn)含著何種能量?核地研院的科研人員準(zhǔn)備用什么方法探尋這些能量?月球樣品究竟能揭示月球哪些奧秘?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者專訪了核地研院。

缺乏大規(guī)模試驗(yàn)

人類對(duì)月球核能元素認(rèn)識(shí)有限

對(duì)看過(guò)動(dòng)畫(huà)片《機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)》的人來(lái)說(shuō)，氦-3并不是什么神秘的名詞。

“月球基地以氦-3作為能源”幾乎是科幻作品設(shè)定的“標(biāo)配”。作為核聚變最理想的燃料之一，氦-3是許多科幻作品中的常客。它在地球上的含量非常稀少，在月球上卻十分富足。

據(jù)探月工程首任首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)估算，全世界一年的總發(fā)電量只需消耗約100噸氦-3，而月壤中的氦-3含量可滿足長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)年的地球能源需求。開(kāi)發(fā)月壤中所蘊(yùn)含的豐富氦-3，對(duì)人類未來(lái)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

核地研院院長(zhǎng)李子穎告訴記者，目前科學(xué)家對(duì)包括月球氦-3在內(nèi)的核能元素的認(rèn)識(shí)，大多基于非常有限的月球取樣以及天文物理和天體遙感探測(cè)數(shù)據(jù)，資源評(píng)價(jià)精準(zhǔn)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。現(xiàn)有的月壤氦-3提取技術(shù)也僅僅是建立在少量月球樣品基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，缺乏大規(guī)模試驗(yàn)和系統(tǒng)性的驗(yàn)證。

“解剖”月壤樣品

為未來(lái)月球氦-3利用打前站

核地研院獲得的50毫克粉末樣品被置于該院實(shí)驗(yàn)大樓一樓一間實(shí)驗(yàn)室的手套箱內(nèi)。該手套箱與用于核酸檢測(cè)的移動(dòng)方艙手套設(shè)計(jì)原理相似。不同的是，該手套箱內(nèi)充滿氮?dú)猓蒲腥藛T穿上白大褂，將手伸進(jìn)手套箱，就能利用高倍光學(xué)顯微鏡進(jìn)行礦物學(xué)觀察和分類，然后再分別利用惰性氣體質(zhì)譜儀、電子探針、高精度激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等設(shè)備，相繼開(kāi)展氦-3含量、礦物組成、主微量元素含量等的測(cè)定，為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供原始數(shù)據(jù)。

核地研院月球樣品分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室主任郭冬發(fā)告訴記者，核地研院想要從事上述研究離不開(kāi)一件殺手锏——國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的Helix SFT稀有氣體質(zhì)譜儀。該質(zhì)譜儀分叉管道設(shè)計(jì)，專門測(cè)試氦同位素，具有極高的靈敏度和分辨率，檢測(cè)器配備法拉第杯和極低噪音電子倍增器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氦-3和氦-4的同時(shí)檢測(cè)，顯著提高測(cè)試準(zhǔn)確度。與此同時(shí)，圍繞此質(zhì)譜儀，實(shí)驗(yàn)室還自主設(shè)計(jì)研發(fā)了雙真空鉭片加熱爐和緊湊的氣體純化系統(tǒng)，并采用相關(guān)軟件聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品中氦同位素的全流程自動(dòng)化測(cè)試，顯著提高了測(cè)試精度。這些條件為月壤樣品中氦-3含量的準(zhǔn)確測(cè)試提供了重要保障。

核地研院月球樣品使用責(zé)任人黃志新研究員認(rèn)為，通過(guò)研究，有望查明制約氦-3等聚變?cè)睾怂匚侥芰Φ脑氯莱墒於鹊汝P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，初步闡明嫦娥五號(hào)月壤樣品中氦-3的富集特征及機(jī)制;厘定嫦娥五號(hào)月壤樣品中氦-3的逸出特性和最佳提取溫度;查明月壤樣品的主、微量元素含量特征及對(duì)氦-3含量的制約;為估算月球氦-3資源量和探索月球氦-3利用可行性提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

同時(shí)，黃志新也表示，月球樣品具有特殊性，主要風(fēng)險(xiǎn)為微細(xì)顆粒操作失誤(墜落、灑落等)和污染風(fēng)險(xiǎn)。為防止操作失誤，操作人員必須經(jīng)過(guò)模擬操作訓(xùn)練，并獲得操作許可證后，再開(kāi)始正式處理月球樣品;為控制污染，研究人員在使用樣品過(guò)程中，需要盡可能避免使用易污染的材料和試劑，同時(shí)建立預(yù)防未知風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)警機(jī)制。

樣本增加新“成員”

有望解開(kāi)更多月球奧秘

月球的年代學(xué)研究既是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，又是一個(gè)在行星科學(xué)中極為重要的基礎(chǔ)性研究工作，對(duì)于揭示月球的形成及演化規(guī)律具有重要意義。

基于現(xiàn)有的從月球返回樣品的年代學(xué)研究工作，科學(xué)家構(gòu)建了月球地質(zhì)年代的基本框架，但由于樣品分布范圍有限，并不能代表整個(gè)月球的情況，且留下了30—10億年間無(wú)月球樣品的空白。

嫦娥五號(hào)采樣返回意味著具有明確采樣位置的月球樣品又增加了新的“成員”，并且此次重返月球有可能采集到更多來(lái)自不同地質(zhì)背景、形成于不同歷史時(shí)期的月球樣品，對(duì)完整還原月球歷史，真正全面認(rèn)識(shí)月球，認(rèn)識(shí)地月系統(tǒng)，甚至認(rèn)識(shí)整個(gè)太陽(yáng)系的存在有著重要的意義。

值得一提的是，嫦娥五號(hào)采樣位置位于風(fēng)暴洋北部呂姆克山附近，有可能采集到克里普巖(KREEP)，該巖通常以富集鉀(K)、稀土元素(RE)、磷(P)、釷(Th)、鈾(U)元素為特征，這為研究鈾釷分布和富集特征以及KREEP巖的形成機(jī)制等這些目前未能解決的關(guān)鍵問(wèn)題提供了有利條件。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，雖然月球的地質(zhì)作用沒(méi)有地球的那么復(fù)雜和頻繁，但充分認(rèn)識(shí)月球的地質(zhì)作用過(guò)程和月表特征，包括樣品形成時(shí)的環(huán)境和條件，對(duì)認(rèn)識(shí)月球的地質(zhì)歷史和演化仍舊非常重要，也可為月球和地球的比較研究及兩者的成因關(guān)系提供依據(jù)，甚至對(duì)認(rèn)識(shí)地月系統(tǒng)乃至整個(gè)太陽(yáng)系有著重要的意義。

月球是一個(gè)巨大的繞地軌道“空間站”，一個(gè)地球引力之外的天然衛(wèi)星，在人類向宇宙開(kāi)拓時(shí)，可利用月球的原材料為星際探索提供助力。開(kāi)展核能裂變和聚變?cè)刭Y源評(píng)價(jià)研究可為未來(lái)地球應(yīng)用和星際開(kāi)拓提供參考和支撐。(孫明源 陳瑜)