新礦物現(xiàn)身，月球還會帶來哪些驚喜？

9月9日，我國宣布在月球樣品研究中發(fā)現(xiàn)了“嫦娥石”，這也是在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物。其實，近年來月壤研究已經(jīng)帶給人們很多驚喜，比如出乎預(yù)料的水資源，還有氦-3等新能源更簡易的提取方法，另有月壤特殊的建筑用途等。隨著相關(guān)成果不斷涌現(xiàn)，助力人類飛向月球的航天技術(shù)也取得進(jìn)展，足以讓人們對未來建設(shè)月球基地、開發(fā)月球的前景充滿期待。

圖源自國家航天局

驚喜發(fā)現(xiàn)可不少

2020年12月17日，嫦娥五號返回器攜帶1731克月球“土特產(chǎn)”返回地球，給我們提供了了解月球更多信息的良機(jī)。目前科研人員已在巖漿分異、太空風(fēng)化、生物能轉(zhuǎn)化等方面取得了一系列成果，初步了解到月球樣品的形貌及礦物組成。這次發(fā)現(xiàn)的“嫦娥石”就是科研人員取得的重要成果。

“嫦娥石”是漂亮的柱狀透明晶體，作為磷酸鹽礦物，存在于月球玄武巖顆粒中，伴生有鐵橄欖石、鈦鐵礦、隕硫鐵等。而月壤研究是典型的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，能帶動一系列相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，這次發(fā)現(xiàn)“嫦娥石”的高新技術(shù)手段就值得關(guān)注。

據(jù)悉，X射線透過礦物晶體時，與晶體內(nèi)規(guī)則排列的原子相遇，發(fā)生散射，進(jìn)而顯示出了與晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有衍射現(xiàn)象?？蒲腥藛T據(jù)此從14萬個月球樣品顆粒中分離出1個約10微米大小的單晶顆粒，并成功解析其結(jié)構(gòu)。毫無疑問，類似技術(shù)手段將助力科研人員進(jìn)一步深入研究月球成分，有望建構(gòu)起月球演化歷史模型，總結(jié)出月球環(huán)境變化規(guī)律，善加利用。

對于“嫦娥石”的用途，科研人員仍需研究，而相對更有潛在經(jīng)濟(jì)價值的成果同樣少不了嫦娥五號返回器的功勞。

月球樣本顯微鏡照片

前不久，我國科研人員首次成功在月壤樣品中獲得了未來核聚變能源資源氦-3的含量和提取參數(shù)。這為我國后續(xù)進(jìn)行月球氦-3資源分布遙感偵測、估算資源總量乃至未來開發(fā)都提供了寶貴的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

要知道，氦-3作為未來可控核聚變的燃料，預(yù)計產(chǎn)生的能量是鈾-235核裂變的10倍以上。從理論上講，100噸氦-3核聚變所貢獻(xiàn)的能量可供全人類使用1年。另外，氦-3有助于構(gòu)建極低溫環(huán)境，超導(dǎo)、量子計算機(jī)等前沿科研也將受益匪淺。

隨著我國科研人員對月壤的研究逐漸深入，常溫下利用鈦鐵礦顆粒篩選、提取氦-3，已經(jīng)有了比較可行的新思路。

人類想要在月球上長期生存，最大的挑戰(zhàn)就是獲取足夠的持續(xù)維持生命活動的水和氧氣。傳統(tǒng)觀點對這方面比較悲觀，但近年來科研人員似乎發(fā)現(xiàn)了更多的可能。

嫦娥五號返回器攜帶的月壤、月巖樣品中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了水資源，尤其是礦物表層中存在大量的太陽風(fēng)成因水。而月球南極的萬米深坑中很可能存在歷史悠久的水冰，因此包括我國在內(nèi)的多國下一步探月計劃已經(jīng)瞄準(zhǔn)月球南極。

如果找不到足夠的月球天然水資源，也有其他“補(bǔ)救”方法：利用月壤中的含氧鐵礦物，再用氫刺激還原反應(yīng)，同樣有望制得淡水，人類就能邁出在月球上生存的第一步了。接下來，利用核電池或太空太陽能發(fā)電站等供能，可促使月球水資源發(fā)生電解，得到氧氣和重要的能源氫氣，為建設(shè)月球基地、在月面正常工作生活打下基礎(chǔ)。

國外商業(yè)航天公司甚至提出了更大膽的方案：利用月球水資源制備推進(jìn)劑，開展航天器在軌補(bǔ)加服務(wù)。

前往月球準(zhǔn)備多

近年來，美國宇航局立志“重返月球”，雖然“阿爾忒彌斯”計劃一再推遲，SLS方案也遭到了“不思進(jìn)取”等指責(zé)，但新一輪載人登月的技術(shù)準(zhǔn)備確實在齊頭并進(jìn)，不容小視。

在運輸工具方面，SLS大量選用成熟技術(shù)，理論上不存在難以克服的技術(shù)障礙，而獵戶座飛船和SpaceX公司負(fù)責(zé)的“星艦”載人登月艙都經(jīng)過嚴(yán)格的技術(shù)論證和測試，成功可能較大。即使SLS實在不堪大用，“星艦”作為技術(shù)概念更激進(jìn)的“替補(bǔ)”也有機(jī)會擔(dān)當(dāng)大任。

在飛行路徑方面，美國宇航局放棄了“阿波羅”計劃那種重型火箭直接送人登月的“簡單”方案，更強(qiáng)調(diào)綜合效益和未來潛力，先建設(shè)繞月空間站。為此，驗證繞月軌道和導(dǎo)航設(shè)備的探測器已經(jīng)出發(fā)，有望于今年11月入軌，迎來“考核結(jié)果”。如果一切順利，獵鷹重型火箭后續(xù)將逐步發(fā)射繞月空間站艙段。

下一步，SLS和獵戶座飛船將把航天員送到繞月空間站，而獵鷹重型火箭會發(fā)射改進(jìn)型貨運龍飛船，承擔(dān)繞月空間站物資補(bǔ)給任務(wù)。等航天員調(diào)整好狀態(tài)后，可以乘坐已事先對接繞月空間站的“星艦”載人登月艙，前往月球。

在人員設(shè)備方面，最近美國宇航局選擇公理航天公司作為月面行走系統(tǒng)（又稱月面先進(jìn)航天服）的供應(yīng)商，授出了價值2.285億美元的合同。預(yù)計2025年2名航天員將穿著這款航天服在“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)中登上月球，而美國宇航局還準(zhǔn)備了“獵戶座航天服”等新一代太空服裝作為備份。

此外，西方科研人員還研究了利用人工智能算法觀察月球表面的永久陰影區(qū)，初步選定月球南極附近的多個候選著陸區(qū)，并啟動了多個月球漫游車項目。

其實，不僅是西方航天界懷有載人登月雄心，我國航天專家也曾公開表示：新一代載人運載火箭將在2030年左右具備送中國人上月球的能力。當(dāng)前，我國正在論證載人登月方案，后續(xù)還將建造國際月球科研站。

建基地前途光明

未來人類要在月球上建立基地并長期居住，顯然不能完全依賴從地球大規(guī)模投送物資，必須學(xué)會在月球上“就地取材”，借助更先進(jìn)、更智能的多功能機(jī)器人，充分利用月球資源。

舉例來說，科研人員發(fā)現(xiàn)月壤是絕佳的建筑材料，具有耐高溫、隔熱性強(qiáng)、抗輻射、高強(qiáng)度等特點。在缺乏大氣層保護(hù)的月球表面，配合3D打印技術(shù)、特殊黏合劑、機(jī)械臂等，月壤會成為建設(shè)人員住所的理想選擇。

另外，研究發(fā)現(xiàn)，月壤成分在催化合成甲烷、甲醇等航天推進(jìn)劑以及太空種植等方面都能提供較大的助力。

可以說，深入研究月壤礦物特性，可以探尋月球資源，建設(shè)更低能耗的地外環(huán)境和生命支持系統(tǒng)，緩解資源供應(yīng)壓力，對于未來月球基地的建設(shè)和運行以及航天員生存保障、未來深空探測等都將有重要意義。

地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。在不久的將來，月球基地會初見雛形，而在月球基地取得的成果和經(jīng)驗對于未來建立火星基地等也會有積極意義。此外，月球基地可以像繞月空間站一樣作為“中轉(zhuǎn)站”，幫助人類在此訓(xùn)練、“加油”，前往更遙遠(yuǎn)的外星球。

人類對月球的探索仍是“初窺門徑”，存在很多有待破解的秘密。但我們可以大膽暢想，隨著科學(xué)研究不斷證明開發(fā)地外空間的可行性，月球基地已越來越近，開發(fā)月球也不再遙遠(yuǎn)。（作者：張凱）