“月壤快递”已接收，新的探索开始

2021-04-09郑永春

科学大众 2021年5期

关键词：月壤月球车嫦娥

■文/郑永春

中国科学院国家天文台研究员、中国科普作家协会副理事长

2020年12月19日，国家航天局正式向中国科学院移交了“嫦娥五号”从月球上采集回来的1 731克月壤和岩石样品，中国科学院国家天文台建设了月球样品实验室，专门用来保存、分配这些月壤和岩石，并组织科学家开展深入的科学研究。

科学家为什么要登月“挖土”？月壤和地球土壤有何不同？为何要研究月壤？本期，中国科学院国家天文台研究员郑永春将带我们一一解开这些谜团。

2020年12月17日，“嫦娥五号”返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆

受赠1克月球样品，中国向月球挺进

上一次的月球采样，已经是半个世纪以前的事情了。1969—1972年，美国“阿波罗”计划共采回了381.7千克月球样品。1978年，为了向中国表示礼节性的友好，美国总统特使访华时，赠送中国1克月球样品作为国礼。

对这1克月球样品，以欧阳自远院士为代表的中国科学家竭尽全力，用其中的0.5克进行了集中研究，发表了多篇学术论文，得到了关于月球、月壤、月岩的一些认识，也奠定了中国探月工程的基础。欧阳自远院士说：“就是从美国赠送的这仅仅1克重的月球样品开始，中国开启了向太阳系星辰大海的挺进。”因此，我们更应该向那些在0.5克月球样品上做研究的科学家致敬。

美国赠送的1克月球样品，其中0.5克被用来做实验

知识链接月球样品分类

直径大于1厘米的颗粒，被当作岩石样品进行研究，称为月岩；直径小于1厘米的颗粒，称为月壤；月壤中直径更小的颗粒，会被当作月尘进行研究。

中国的探月工程在20世纪90年代开始论证，然后逐渐积累。2004年农历大年初二，中国探月工程立项。2007年10月，发射了“嫦娥一号”卫星；2010年10月，发射了“嫦娥二号”卫星；2013年，“嫦娥三号”和“玉兔号”月球车登陆月球正面；2019年1月，“嫦娥四号”着陆器和“玉兔二号”月球车成为人类历史上第一个登陆月球背面的航天器。随着“嫦娥五号”带着月壤和岩石样品返回地球，中国航天人通过16年的努力，完成了探月工程“绕、落、回”三步走的目标。

有同学可能会说，美国已经采了381.7千克月球岩石和土壤样品，我们的1 731克月壤和岩石样品是不是少了一点？但是，对于月球样品来讲，多少不是问题，因为现在的分析技术已经很先进了，仪器的高精尖程度比50年前有了巨大的进步，不用说1 731克，即便是其中1/10的样品，就已经可以满足所有的分析需求了。从科学家的角度出发，我们更希望从月球上的不同地区采集多样化的月壤，因为不同地区的月壤中含有不同的信息。

月壤长什么样儿

整个月球表面都覆盖着一层厚厚的土壤，月壤的表面形态几乎完全是由撞击作用塑造的，大块的基岩在小天体的撞击之下，被不断地打碎、混合、翻动，最终在月球表面形成了这层细腻的砂土层。它看起来像一层细细的水泥，平均粒径为100微米，厚度为几米到十几米，主要由橄榄石、辉石、钛铁矿、斜长石等矿物质和胶结质的玻璃组成。不同的地方厚度也不同，月陆地区的历史更古老，月壤厚达8～10米；月海地区形成的年代相对较新，月壤厚度为3～5米。

去过海边的同学知道，脚踩在沙滩上，脚印边缘很快就塌掉了，因为沙砾之间的摩擦力很小，很难保持稳定的形状。但如果海水打来，沙子变湿，脚印就特别清晰，这是因为沙子之间的黏结力增强了，能够保持一定的形状。航天员在月球上踩下的脚印，就像在潮湿的沙滩上踩下的脚印。月壤是小天体和陨石撞击月球表面的岩石粉碎形成的，跟地球土壤由岩石风化、风沙和泥沙搬运，使得土壤颗粒相互摩擦变圆的方式不同。月壤颗粒棱角凸出，呈多边形，颗粒之间的摩擦力很大。所以，月球表面的土壤一旦压实成形，比较容易保持原来的形状，这是月壤和地球土壤的差别。

月球上只有黑、白、灰3种颜色，没有彩色。可是，在1972年的“阿波罗17号”任务中，发现了橙色月壤。之所以呈现这种颜色，是由月球早期火山喷发形成的微小橙色玻璃珠造成的。

在北京的一次国际学术交流会上，我有幸看到了月壤。当时，它被密封在一个小罐子里，我手上恰巧拿着一根磁铁。奇妙的是，当我移动磁铁时，有一团月壤跟着磁铁一起移动。这说明月壤中含有单质的纳米铁，产生了很强的磁性。

美国“阿波罗17号”带回的月壤“样品74220”

一团月壤跟着磁铁移动

知识链接：月壤的主要成分

月壤能种农作物吗

同学们或许会问：月壤能种菜、种水稻吗？月球上没有水、空气和微生物，月壤中不含任何有机养分，而且非常干燥。因此，无论是种菜还是种水稻都不行。

也许有同学会纳闷：既然都不能种菜，那研究月壤有什么意义呢？我们知道，太阳会“刮”出太阳风，在太空里穿行。因为月球没有磁场，所以太阳风直接注入了月球的土壤和尘埃里。每一个月壤颗粒、尘埃颗粒，都长时间饱受太阳风的侵袭。太阳耀斑产生的各种各样的高能粒子，也会注入月尘和月壤的颗粒里。还有来自遥远的银河宇宙线，是一些非常高能的粒子，能够注入更深的深度，在月壤颗粒中留下深深的痕迹。此外，月球还要遭受各种各样的陨石、微陨石的撞击，撞击过程会产生高温、高压和熔融，一部分物质会汽化，逃离月球。

所以，每一个月壤颗粒都是月球遭受各种境遇的记录，月球受撞击的历史、被熔融的历史、遭受太阳风注入的历史、遭受银河宇宙线作用的历史……都会被记录在月壤颗粒里面。研究它，当然会获得很多宝贵的信息。

此外，科学家发现，长期的太阳风给月壤注入了大量的氦-3，这是一种未来有可能进行热核聚变发电的清洁能源。由于地球上有厚厚的大气层，而且有较强的磁场，大部分的太阳风都被阻挡在外，所以地球上的氦-3就很少，只有500千克左右。而研究发现，月壤中蕴藏有100万～500万吨氦-3。而100吨氦-3创造的能源，就相当于全世界一年消耗的能源总量。因此，未来人类要利用月球资源，首要的目标也是月壤。

更重要的是，中国探月工程“绕、落、回”三步走已经圆满收官，但并不意味着中国探月行动的终结，而是一个全新的开始，“探、登、驻”三大阶段已在路上。探月阶段完成之后，必然要进行登月和月面驻留的工作，对月壤的研究就是为了将来更好地开发月球，将为我国科学家开展火星取样、小行星取样，甚至木星探测等科研工作，提供宝贵经验。

未来月球采矿的概念图

展览中的低钛模拟月壤

为何要研制模拟月壤

真实的月壤是极为珍贵的，可能只有极少部分的月壤会被拿来进行科学研究。“阿波罗”登月和苏联无人采样技术采回来的月壤，其数据、成分都已公布。我们通过调研中国各地区的岩石、矿物和土壤，发现在吉林省长白山地区有一种火山渣，成分跟“阿波罗14号”登月点采来的一种月壤成分相近。以这种火山渣作为初始物质，经过加工，然后再经过广泛的测试对比，我们研制成了中国首个模拟月壤国家标准样品。

模拟月壤不只是看起来像就可以了，而是要真的跟月壤颗粒的形状、大小、成分等相似。我们研制的模拟月壤，粉尘非常细，颗粒直径只有几十微米，有些甚至是PM2.5，即颗粒直径为2.5微米，同时棱角很尖锐。当然，这种模拟仍然是有限的，因为它毕竟是在地球上形成的。

在用真实月壤进行分析之前，我们先用模拟月壤进行测试。如果模拟月壤测试成功了，我们才会用真正的月壤。如果月壤进入月球车的轮子内部或机械设备的连接处，或者覆盖在太阳能电池板上，就会干扰月球车和月球探测器的相关工作。如果进入航天员的呼吸系统，就会对航天员的身体健康和心理感受造成损害。所以，研制模拟月壤的目的是为了深刻地理解月壤，进而了解月球探测面临的问题，以及未来在月球上生存需要解决的资源利用问题。