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月球“土特產(chǎn)”太珍貴,科學(xué)家“一土多吃”榨出最大價(jià)值
發(fā)布時(shí)間:2020-12-28   文章來(lái)源 : 科技日報   字號:
 

  凝聚了無(wú)數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(jià)值,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。


  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(jìn)入科研領(lǐng)域,為人類(lèi)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(wàn)苦帶回來(lái)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(diǎn)少一點(diǎn)的樣品,科學(xué)家們準備采取怎樣的方式進(jìn)行分析研究呢?


  分析結果受影響已有前車(chē)之鑒


  在采樣、封裝、運輸、開(kāi)艙、移交的整個(gè)過(guò)程中,如何保證此次嫦娥五號帶回來(lái)的月壤樣品不被污染是設計者們極為關(guān)注的問(wèn)題,直接關(guān)系到后續的分析、研究工作能否順利開(kāi)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(lèi)微生物等,都有可能對樣品造成污染。”嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹,在阿波羅登月時(shí)代的兩個(gè)案例可以很好地證明這一點(diǎn)。“在對阿波羅帶回的月壤樣品進(jìn)行分析后,曾有科學(xué)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(wú)法確保其未接觸地球的大氣,而根據我們從地球上對于月球的觀(guān)測,在月球正面的大部分區域是沒(méi)有水冰的,即便有,在月球真空且直接受到太陽(yáng)輻射等的環(huán)境條件下,也很快就揮發(fā)掉了。因此,相關(guān)結論并未得到學(xué)界的認可。”


  “1969年,阿波羅12號登月后,宇航員造訪(fǎng)1967年降落在月球上的勘查者3號,從已經(jīng)著(zhù)陸兩年多的探測器上取回了一些設備,用于研究長(cháng)期暴露在月球上的設備是否會(huì )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(lái)有科研人員在設備內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?zhuān)皇窃虑蛏洗_實(shí)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(méi)有被嚴酷的空間環(huán)境殺死。這兩種解釋?zhuān)瑹o(wú)論取信哪一種,都是令人震驚的,在當時(shí)引起了很大的爭議。后來(lái),直到2000年,一些從事行星保護的研究者分析當時(shí)的過(guò)程錄像,發(fā)現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論。因此,后來(lái)美國國家航空航天局(NASA)改進(jìn)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(shuō)。


  “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(lài)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(shí),無(wú)論是在月球表面的采樣過(guò)程,還是在太空中的交會(huì )對接和樣品轉移過(guò)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(gè)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(méi)有影響。特別是在返回器進(jìn)入地球大氣的過(guò)程中,盡管返回器表面溫度高達2000℃—3000℃,但密封封裝裝置內的溫度依舊能夠保持在這個(gè)區間范圍內。”彭兢說(shuō)。與此同時(shí),嫦娥五號采用的密封封裝裝置漏率極低,可以確保回到地球后,即便在地球大氣中停留72小時(shí)左右,也不會(huì )有其他物質(zhì)進(jìn)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(guò)程中的相關(guān)措施。當密封封裝裝置轉交給科學(xué)家時(shí),他們會(huì )使用一種專(zhuān)門(mén)的保護裝置來(lái)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(guò)去的處理經(jīng)驗,科學(xué)家認為其與月壤樣品間不會(huì )發(fā)生反應,因此在樣品轉移、運輸過(guò)程中能最大限度地保護密封封裝裝置中的月壤樣品。后續在地面實(shí)驗室內打開(kāi)密封封裝裝置的過(guò)程中,研究人員也需戴著(zhù)手套在充氮的特殊裝置內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(shuō)。


  為了保存和處理好月壤樣品,地面應用系統的科學(xué)家們想盡辦法,建設了專(zhuān)門(mén)的存放設施和樣品處理分析實(shí)驗室,制定了詳盡的操作規程,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”節約珍貴樣品


  凝聚了無(wú)數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(jià)值,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。


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


  為了節約樣品,在不得不損害樣品時(shí),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(guò)載氣將樣品微粒載入等離子體中電離,經(jīng)質(zhì)譜系統進(jìn)行質(zhì)量過(guò)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(wèn)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(shuō),目前的分析技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始向智能化、小型化、在線(xiàn)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(jìn)一步完善分析方法,提高相應儀器的靈敏度和分辨率,研發(fā)新技術(shù)新方法。


  月壤樣品能告訴我們這些


  通過(guò)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學(xué)模型的結果進(jìn)行校正。肖龍說(shuō):“已有的月球年代曲線(xiàn)是用人類(lèi)現有的月球樣品校正過(guò)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據由于缺乏樣品無(wú)法校正,此次嫦娥五號帶回的樣品剛好彌補了這段時(shí)間的空白。”


  同時(shí),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(zhù)陸區是月球上規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(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授孟治國說(shuō):“玄武巖的年齡越小,意味著(zhù)其源區越深。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(huì )存在差異。研究者希望從中獲得晚期玄武巖源區地球化學(xué)和礦物學(xué)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(dòng)中的作用;提高對晚期月球內部熱演化歷史的理解,進(jìn)而檢驗和約束月球熱演化的模型,解讀月球火山活動(dòng)晚期的一些懸而未決的問(wèn)題。”


  孟治國指出:“除了天文學(xué)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(lái)行星探測的重要發(fā)展方向之一。要實(shí)現這一目標,研究微生物在月表的適宜性、月壤是否適合微生物生長(cháng)和繁衍,是否適合農業(yè)開(kāi)發(fā)都是繞不開(kāi)的問(wèn)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(huì )更高,我們期待這次采樣分析能對氦-3的含量、分布特征和分布規律有更高層次的理解。同時(shí),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(lèi)生活必須的水,水電解后的氫和氧也是人類(lèi)在月球開(kāi)展科研活動(dòng)的必需資源。”

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月球“土特產(chǎn)”太珍貴,科學(xué)家“一土多吃”榨出最大價(jià)值
發(fā)布時(shí)間:2020-12-28 來(lái)源: 科技日報  字號:

  凝聚了無(wú)數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(jià)值,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。


  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(jìn)入科研領(lǐng)域,為人類(lèi)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(wàn)苦帶回來(lái)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(diǎn)少一點(diǎn)的樣品,科學(xué)家們準備采取怎樣的方式進(jìn)行分析研究呢?


  分析結果受影響已有前車(chē)之鑒


  在采樣、封裝、運輸、開(kāi)艙、移交的整個(gè)過(guò)程中,如何保證此次嫦娥五號帶回來(lái)的月壤樣品不被污染是設計者們極為關(guān)注的問(wèn)題,直接關(guān)系到后續的分析、研究工作能否順利開(kāi)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(lèi)微生物等,都有可能對樣品造成污染。”嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹,在阿波羅登月時(shí)代的兩個(gè)案例可以很好地證明這一點(diǎn)。“在對阿波羅帶回的月壤樣品進(jìn)行分析后,曾有科學(xué)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(wú)法確保其未接觸地球的大氣,而根據我們從地球上對于月球的觀(guān)測,在月球正面的大部分區域是沒(méi)有水冰的,即便有,在月球真空且直接受到太陽(yáng)輻射等的環(huán)境條件下,也很快就揮發(fā)掉了。因此,相關(guān)結論并未得到學(xué)界的認可。”


  “1969年,阿波羅12號登月后,宇航員造訪(fǎng)1967年降落在月球上的勘查者3號,從已經(jīng)著(zhù)陸兩年多的探測器上取回了一些設備,用于研究長(cháng)期暴露在月球上的設備是否會(huì )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(lái)有科研人員在設備內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?zhuān)皇窃虑蛏洗_實(shí)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(méi)有被嚴酷的空間環(huán)境殺死。這兩種解釋?zhuān)瑹o(wú)論取信哪一種,都是令人震驚的,在當時(shí)引起了很大的爭議。后來(lái),直到2000年,一些從事行星保護的研究者分析當時(shí)的過(guò)程錄像,發(fā)現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論。因此,后來(lái)美國國家航空航天局(NASA)改進(jìn)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(shuō)。


  “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(lài)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(shí),無(wú)論是在月球表面的采樣過(guò)程,還是在太空中的交會(huì )對接和樣品轉移過(guò)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(gè)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(méi)有影響。特別是在返回器進(jìn)入地球大氣的過(guò)程中,盡管返回器表面溫度高達2000℃—3000℃,但密封封裝裝置內的溫度依舊能夠保持在這個(gè)區間范圍內。”彭兢說(shuō)。與此同時(shí),嫦娥五號采用的密封封裝裝置漏率極低,可以確保回到地球后,即便在地球大氣中停留72小時(shí)左右,也不會(huì )有其他物質(zhì)進(jìn)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(guò)程中的相關(guān)措施。當密封封裝裝置轉交給科學(xué)家時(shí),他們會(huì )使用一種專(zhuān)門(mén)的保護裝置來(lái)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(guò)去的處理經(jīng)驗,科學(xué)家認為其與月壤樣品間不會(huì )發(fā)生反應,因此在樣品轉移、運輸過(guò)程中能最大限度地保護密封封裝裝置中的月壤樣品。后續在地面實(shí)驗室內打開(kāi)密封封裝裝置的過(guò)程中,研究人員也需戴著(zhù)手套在充氮的特殊裝置內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(shuō)。


  為了保存和處理好月壤樣品,地面應用系統的科學(xué)家們想盡辦法,建設了專(zhuān)門(mén)的存放設施和樣品處理分析實(shí)驗室,制定了詳盡的操作規程,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”節約珍貴樣品


  凝聚了無(wú)數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(jià)值,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。


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


  為了節約樣品,在不得不損害樣品時(shí),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(guò)載氣將樣品微粒載入等離子體中電離,經(jīng)質(zhì)譜系統進(jìn)行質(zhì)量過(guò)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(wèn)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(shuō),目前的分析技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始向智能化、小型化、在線(xiàn)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(jìn)一步完善分析方法,提高相應儀器的靈敏度和分辨率,研發(fā)新技術(shù)新方法。


  月壤樣品能告訴我們這些


  通過(guò)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學(xué)模型的結果進(jìn)行校正。肖龍說(shuō):“已有的月球年代曲線(xiàn)是用人類(lèi)現有的月球樣品校正過(guò)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據由于缺乏樣品無(wú)法校正,此次嫦娥五號帶回的樣品剛好彌補了這段時(shí)間的空白。”


  同時(shí),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(zhù)陸區是月球上規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(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授孟治國說(shuō):“玄武巖的年齡越小,意味著(zhù)其源區越深。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(huì )存在差異。研究者希望從中獲得晚期玄武巖源區地球化學(xué)和礦物學(xué)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(dòng)中的作用;提高對晚期月球內部熱演化歷史的理解,進(jìn)而檢驗和約束月球熱演化的模型,解讀月球火山活動(dòng)晚期的一些懸而未決的問(wèn)題。”


  孟治國指出:“除了天文學(xué)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(lái)行星探測的重要發(fā)展方向之一。要實(shí)現這一目標,研究微生物在月表的適宜性、月壤是否適合微生物生長(cháng)和繁衍,是否適合農業(yè)開(kāi)發(fā)都是繞不開(kāi)的問(wèn)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(huì )更高,我們期待這次采樣分析能對氦-3的含量、分布特征和分布規律有更高層次的理解。同時(shí),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(lèi)生活必須的水,水電解后的氫和氧也是人類(lèi)在月球開(kāi)展科研活動(dòng)的必需資源。”

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