月球“土特產(chǎn)”太珍貴 科學家“一土多吃”榨出最大價值

　　凝聚了無數(shù)航天人心血與智慧的1731克珍貴月壤樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價值，一直是人們關(guān)注的問題。

　　2020年12月17日凌晨，赴月“出差”23天的嫦娥五號返回器成功降落在內(nèi)蒙古四子王旗，嫦娥五號“挖土”任務(wù)順利完成。此次任務(wù)共帶回約1731克月壤樣品，之后，這些珍貴的月壤樣品將進入科研領(lǐng)域，為人類了解月球、探索更遙遠的深空提供重要參考。但是，嫦娥五號千辛萬苦帶回來的月壤樣品為什么一定要保證“原汁原味”，又是怎樣做到的？對待這些用一點少一點的樣品，科學家們準備采取怎樣的方式進行分析研究呢？為此科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

　　分析結(jié)果受影響已有前車之鑒

　　在采樣、封裝、運輸、開艙、移交的整個過程中，如何保證此次嫦娥五號帶回來的月壤樣品不被污染是設(shè)計者們極為關(guān)注的問題，直接關(guān)系到后續(xù)的分析、研究工作能否順利開展以及月壤樣品分析的成果能否取信于人。

　　“地球大氣中存在的氧氣、水分，甚至地球環(huán)境中的各類微生物等，都有可能對樣品造成污染。”嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢介紹，在阿波羅登月時代的兩個案例可以很好地證明這一點。“在對阿波羅帶回的月壤樣品進行分析后，曾有科學家宣布月壤中是含水的，但這受到很多人的質(zhì)疑，因為在阿波羅的樣品運輸、處理中都無法確保其未接觸地球的大氣，而根據(jù)我們從地球上對于月球的觀測，在月球正面的大部分區(qū)域是沒有水冰的，即便有，在月球真空且直接受到太陽輻射等的環(huán)境條件下，也很快就揮發(fā)掉了。因此，相關(guān)結(jié)論并未得到學界的認可。”

　　“1969年，阿波羅12號登月后，宇航員造訪1967年降落在月球上的勘查者3號，從已經(jīng)著陸兩年多的探測器上取回了一些設(shè)備，用于研究長期暴露在月球上的設(shè)備是否會受到諸如月塵、高低溫變化、太空輻射等的影響。但令人驚訝的是，后來有科研人員在設(shè)備內(nèi)部檢測出了一種地球上的微生物鏈球菌，對此科研人員提出了兩種可能的解釋，一是月球上確實存在這種微生物，二是這種微生物是勘查者3號從地球帶去的，在月球上生存了兩年，沒有被嚴酷的空間環(huán)境殺死。這兩種解釋，無論取信哪一種，都是令人震驚的，在當時引起了很大的爭議。后來，直到2000年，一些從事行星保護的研究者分析當時的過程錄像，發(fā)現(xiàn)參與研究的科研人員的衣服都是短袖，很可能是他們暴露在外的皮膚上的微生物污染了樣品，才得出了這樣的錯誤結(jié)論。因此，后來美國國家航空航天局（NASA）改進了地外天體樣品分析的流程，避免再次發(fā)生這樣的錯誤。”彭兢說。

　　“雙保險”保證樣品不被污染

　　此次對月壤樣品的保護主要依賴于兩層防護。首先是采用漏率極低的密封封裝裝置。“在月壤樣品尚未返回地球時，無論是在月球表面的采樣過程，還是在太空中的交會對接和樣品轉(zhuǎn)移過程，都能夠保證真空環(huán)境，需要擔心的是溫度變化可能對樣品造成的影響。為此，科研人員將返回器中密封封裝裝置的溫度保持在-25℃—55℃，這個溫度與月球自身的溫度范圍（-180℃—130℃）相比變化很小，因此對月壤樣品沒有影響。特別是在返回器進入地球大氣的過程中，盡管返回器表面溫度高達2000℃—3000℃，但密封封裝裝置內(nèi)的溫度依舊能夠保持在這個區(qū)間范圍內(nèi)。”彭兢說。與此同時，嫦娥五號采用的密封封裝裝置漏率極低，可以確�；氐降厍蚝�，即便在地球大氣中停留72小時左右，也不會有其他物質(zhì)進入裝置污染月壤樣品。

　　第二層保護是在返回地球后交接、運輸和處理過程中的相關(guān)措施。當密封封裝裝置轉(zhuǎn)交給科學家時，他們會使用一種專門的保護裝置來存放密封封裝裝置，里面充了保護性氮氣。“氮氣是一種惰性氣體，參考過去的處理經(jīng)驗，科學家認為其與月壤樣品間不會發(fā)生反應(yīng)，因此在樣品轉(zhuǎn)移、運輸過程中能最大限度地保護密封封裝裝置中的月壤樣品。后續(xù)在地面實驗室內(nèi)打開密封封裝裝置的過程中，研究人員也需戴著手套在充氮的特殊裝置內(nèi)處理密封容器和月壤樣品，從而盡可能保持月壤樣品的原始形態(tài)。”彭兢說。

　　為了保存和處理好月壤樣品，地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學家們想盡辦法，建設(shè)了專門的存放設(shè)施和樣品處理分析實驗室，制定了詳盡的操作規(guī)程，盡可能保證月壤樣品不被污染，從而獲得正確可信的科研成果。

　　“多管齊下”節(jié)約珍貴樣品

　　凝聚了無數(shù)航天人心血與智慧的1731克珍貴樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價值，一直是人們關(guān)注的問題。

　　所謂無損分析，即在不損害或不影響被檢測對象內(nèi)部組織的前提下，對被檢測對象內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等進行檢查和測試的方法。“樣品回來后根據(jù)正常程序，要經(jīng)過一個無損—少損—有損的分析過程，以保證最大的科學產(chǎn)出。”中國地質(zhì)大學（武漢）地球科學學院教授肖龍說。無損分析可以幫助研究者了解樣品的基本情況。吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院教授趙玉巖表示：“目前常見的無損分析比如X射線熒光光譜法，就是利用X射線光管發(fā)出的初級X射線激發(fā)樣品中的原子，通過分析樣品中不同元素產(chǎn)生的特征熒光X射線波長（或能量）和強度，獲得樣品中的元素組成與含量信息。”

　　為了節(jié)約樣品，在不得不損害樣品時，研究者也傾向于使用微量分析，在這種分析方法中，被測物質(zhì)的許可量通常僅約為常量的百分之一，重量約為1—15毫克。“比如激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)，該技術(shù)是將激光束聚集于樣品表面使之融蝕氣化，并通過載氣將樣品微粒載入等離子體中電離，經(jīng)質(zhì)譜系統(tǒng)進行質(zhì)量過濾，最后用接收器分別檢測不同質(zhì)荷比的離子。這種技術(shù)直接剝蝕固體樣品，避免了試劑污染、樣品分解不完全、易揮發(fā)元素丟失等問題，而且消除了水和酸造成的多原子離子干擾。此外，微量技術(shù)手段還包括納米離子探針技術(shù)、顯微激光拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜法等。”趙玉巖說，目前的分析技術(shù)已經(jīng)開始向智能化、小型化、在線式及儀器聯(lián)用方向發(fā)展，但針對月壤樣品的珍貴性和特殊性，還需要進一步完善分析方法，提高相應(yīng)儀器的靈敏度和分辨率，研發(fā)新技術(shù)新方法。

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　　月壤樣品能告訴我們這些

　　通過對月壤樣品的分析，可以對研究者建立的用以估算天體表面年齡的數(shù)學模型的結(jié)果進行校正。肖龍說：“已有的月球年代曲線是用人類現(xiàn)有的月球樣品校正過的，基本覆蓋從39億年到30億年，但從30億年到十幾億年的數(shù)據(jù)由于缺乏樣品無法校正，此次嫦娥五號帶回的樣品剛好彌補了這段時間的空白。”

　　同時，此次獲得的月壤還能夠為人們了解月球地質(zhì)演化提供重要參考。嫦娥五號著陸區(qū)是月球上規(guī)模最大的晚期玄武巖之一，其獲取的玄武巖樣品比美國阿波羅計劃和蘇聯(lián)月球16號獲取的樣品都要“年輕”。吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院教授孟治國說：“玄武巖的年齡越小，意味著其源區(qū)越深。以這些采樣為代表的深部月幔物質(zhì)和以阿波羅計劃玄武巖為代表的淺部月幔物質(zhì)，在鈦鐵含量、礦物成分上必定會存在差異。研究者希望從中獲得晚期玄武巖源區(qū)地球化學和礦物學性質(zhì)及其同位素和微量元素特征的新知識；了解放射性元素釷（Th）的富積機制及其在后期火山活動中的作用；提高對晚期月球內(nèi)部熱演化歷史的理解，進而檢驗和約束月球熱演化的模型，解讀月球火山活動晚期的一些懸而未決的問題。”

　　孟治國指出：“除了天文學領(lǐng)域，月壤對于微生物領(lǐng)域、資源領(lǐng)域等也有重大意義。對于前者而言，建立永久月球基地是未來行星探測的重要發(fā)展方向之一。要實現(xiàn)這一目標，研究微生物在月表的適宜性、月壤是否適合微生物生長和繁衍，是否適合農(nóng)業(yè)開發(fā)都是繞不開的問題；而在月球資源方面，這次采樣得到的是鈦鐵含量最高的月壤物質(zhì)，其中氦-3的含量也會更高，我們期待這次采樣分析能對氦-3的含量、分布特征和分布規(guī)律有更高層次的理解。同時，鈦鐵礦本身也是一種重要的月球資源，鈦、鐵提取的副產(chǎn)品是人類生活必須的水，水電解后的氫和氧也是人類在月球開展科研活動的必需資源。”