“月球快遞”已簽收，“土特產(chǎn)”研究拉開(kāi)序幕

鄭永春

2020年12月19日，國(guó)家航天局正式向中國(guó)科學(xué)院移交了“嫦娥五號(hào)”從月球上采集回來(lái)的1731克的月壤和巖石樣品，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)已建成月球樣品實(shí)驗(yàn)室，專(zhuān)門(mén)用來(lái)保存、分配這些月壤和巖石，并組織科學(xué)家開(kāi)展科學(xué)研究。

月壤已回，新的探索拉開(kāi)序幕。

月壤再臨地球

科技的大廈不是一天建成的，而是要長(zhǎng)期地積累。上一次的月球采樣，已經(jīng)是半個(gè)世紀(jì)以前了。1969年到1972年間，美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃一共采回了381.7千克的月球巖石和土壤。1978年，美國(guó)送給中國(guó)1克月球樣品。中國(guó)科學(xué)院組織科學(xué)家對(duì)0.5克樣品進(jìn)行研究，發(fā)表了14篇論文，剩余的0.5克樣品則被保存在北京天文館進(jìn)行展出。

月球的土壤結(jié)構(gòu)跟地球的土壤結(jié)構(gòu)有些相似。在月球表面，有一層1-2厘米厚的月塵，然后是3-10米厚的月壤，里面還有大大小小的石塊。月壤層之下，才是真正的基巖。按照此前的經(jīng)驗(yàn)，在月球樣品中，顆粒直徑大于1厘米的石塊，會(huì)被當(dāng)成巖石來(lái)研究;直徑小于1厘米的，被當(dāng)成月壤進(jìn)行研究;顆粒直徑更小的物質(zhì)，會(huì)被當(dāng)成月塵進(jìn)行研究。不同的月球樣品.來(lái)自月球上的不同地區(qū)，蘊(yùn)含著不同的科學(xué)信息?？茖W(xué)家把巖石切成薄片，在顯微鏡下觀察，進(jìn)行微量元素和主量元素的分析，進(jìn)行礦物組成的分析，進(jìn)行同位素的定年，等等。通過(guò)這些細(xì)致而全面的研究工作，我們可以知道月球樣品的類(lèi)型、形成年代和形成環(huán)境。

可能有人會(huì)說(shuō)，美國(guó)已經(jīng)采了300多千克的月壤，我們的1731克月壤是不是少了一點(diǎn)？但是，對(duì)于月球樣品來(lái)說(shuō)，質(zhì)量不是問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在的分析技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)了，儀器的高精尖程度比50年前有了巨大的進(jìn)步，不用說(shuō)1731克，即便是1/10的樣品，就已經(jīng)可以滿足所有的分析需求了。從科學(xué)家的角度，我們更希望從月球上的不同地區(qū)，采集多樣化的月球土壤，因?yàn)椴煌貐^(qū)的月壤中含有更豐富的信息。

為何要模擬月壤

現(xiàn)在有很多人都覺(jué)得，研究月球是多么高大上、多么光榮的一件事情，但在20年前，也就是我剛剛讀研究生時(shí)，我國(guó)研究月球的人屈指可數(shù)。而且，我們?cè)谧鲅芯繒r(shí)，一沒(méi)有樣品，二沒(méi)有數(shù)據(jù)，三沒(méi)有觀測(cè)用的儀器設(shè)備。所有的研究工作只能先調(diào)研，站在前人的肩膀上。

在經(jīng)過(guò)大量的前期調(diào)研之后，我們發(fā)現(xiàn)月壤是可以模擬的。

“阿波羅”登月和蘇聯(lián)無(wú)人采樣采回來(lái)的月壤，其數(shù)據(jù)、成分都已公布。通過(guò)調(diào)研全國(guó)各地區(qū)的巖石、礦物和土壤，我們發(fā)現(xiàn)在吉林省長(zhǎng)白山地區(qū)有一種火山渣，成分跟月球上“阿波羅14號(hào)”登月點(diǎn)采來(lái)的一種月壤成分相近。以這種火山渣作為初始物質(zhì)，經(jīng)過(guò)加工，然后經(jīng)過(guò)廣泛的測(cè)試對(duì)比，我們研制成了中國(guó)首個(gè)模擬月壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品。

模擬月壤不只是看起來(lái)像就可以了，還要真的跟月壤顆粒的形狀、大小、成分等物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)相似。當(dāng)然，這種模擬仍然是有限的，因?yàn)樗吘故窃诘厍蛏闲纬傻摹?/p>

真實(shí)的月壤是無(wú)價(jià)之寶，可能只有極少部分的月壤會(huì)被拿來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究。在用真實(shí)的月壤進(jìn)行分析之前，可以用模擬月壤先進(jìn)行一些測(cè)試，

如果模擬月壤測(cè)試成功了，才會(huì)用真正的月壤。此外，要利用月壤進(jìn)行原位資源利用的研究，包括3D打印、生產(chǎn)氧氣、提取水等，這些原位資源利用實(shí)驗(yàn)要消耗大量樣品，最好也用模擬月壤來(lái)代替，因?yàn)檎鎸?shí)的月壤是極為珍貴的。

月壤可以激勵(lì)青少年

“嫦娥五號(hào)”帶回了月壤，除了科學(xué)界翹首以盼，公眾特別是青少年學(xué)生對(duì)月壤也充滿了興趣，他們提出了諸如“月壤能不能種菜、能不能種水稻、能不能種土豆”等問(wèn)題，我被問(wèn)到的最有趣的問(wèn)題是“月壤聞起來(lái)是什么味道”。

其實(shí)，我也不知道月壤聞起來(lái)是什么味道，即便是真正登陸月球的航天員也不一定知道。因?yàn)樵虑蛏鲜钦婵?，所以是不可能打開(kāi)頭盔去聞的，一旦航天服漏氣，航天員就會(huì)有性命之憂。帶回地球的月壤也要完全隔絕地球的大氣環(huán)境，因?yàn)橐坏┍┞对诳諝庵?，它就不再是原?lái)的月壤了。

我推測(cè)，真正聞月壤時(shí)，應(yīng)該是一種比較刺激的感覺(jué)。因?yàn)樵氯乐杏袉钨|(zhì)的金屬鐵等還原性物質(zhì)，在月球的真空環(huán)境中，金屬鐵可以穩(wěn)定存在，一旦接觸呼吸道中的氧氣，它馬上就會(huì)被氧化，可能會(huì)給我們一種類(lèi)似吸入胡椒粉的感覺(jué)。

我一直認(rèn)為，月壤不僅有重要的研究?jī)r(jià)值，還有重要的科普價(jià)值和教育意義，它最重要的功能之一應(yīng)該是激勵(lì)青少年從小學(xué)科學(xué)、愛(ài)科學(xué)、用科學(xué)，吸引更多優(yōu)秀的學(xué)生選擇科研作為職業(yè)，成為未來(lái)的科學(xué)家和工程師。為此，還要圍繞月壤開(kāi)發(fā)課程，提升教育功能。

研究月壤是為了更好地開(kāi)發(fā)月球

同為土壤，月壤跟地球土壤有什么不同呢？

地球上的土壤是在風(fēng)霜雨雪的作用下，經(jīng)歷物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化等過(guò)程才形成的。月球上沒(méi)有水、空氣和微生物，因此月壤跟地球土壤是不同的，這也是現(xiàn)在保存月壤的一個(gè)首要前提，要隔絕與地球大氣、水的接觸，防止月壤與它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，受到污染。

月壤，實(shí)際上是月球表面的巖石經(jīng)過(guò)小行星和微隕石撞擊、宇宙射線照射和劇烈晝夜溫差，經(jīng)歷了幾十億年的太空風(fēng)化過(guò)程才形成的。由于整個(gè)月球表面都覆蓋著一層月壤，用探月衛(wèi)星得到的探測(cè)數(shù)據(jù)，其實(shí)就是月壤發(fā)給我們的信息。未來(lái)人類(lèi)要利用月球資源，首要的目標(biāo)也是月壤。

我們研制的模擬月壤，粉塵非常細(xì)，顆粒直徑只有幾十微米，有些甚至是PM2.5，即顆粒直徑為2.5微米，同時(shí)棱角很尖銳。因?yàn)樵氯罌](méi)有經(jīng)歷像地球土壤那樣的磨蝕過(guò)程，純粹是小行星撞擊砸出來(lái)的。如果月壤進(jìn)入月球車(chē)的輪子內(nèi)部或者機(jī)械設(shè)備的連接處，或者覆蓋在太陽(yáng)能電池板上，就會(huì)干擾月球車(chē)和月球探測(cè)器的正常工作。如果進(jìn)入航天員的呼吸系統(tǒng)，就會(huì)對(duì)航天員的身體健康和心理感受造成損害。所以，我們必須深刻地理解月壤和月塵，才能使航天員更安全地在月球上駐留。

中國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走已經(jīng)圓滿收官，但“探、登、駐”三大階段已在路上。探月階段完成之后，必然要進(jìn)行登月和月面駐留的工作，對(duì)月壤的研究就是為了將來(lái)更好地開(kāi)發(fā)月球。

月壤的小秘密

與地球土壤不同，月壤顆粒的棱角突出，呈多邊形，顆粒之間的摩擦力很大。所以，月球表面的月壤一旦壓實(shí)，比較容易保持原來(lái)的形狀。去過(guò)沙漠的人都知道，腳印踩完之后，邊緣很快就塌掉了，因?yàn)樯匙又g的摩擦力很小，很難保持穩(wěn)定的形狀。但如果把沙子里摻上水，腳印就特別清晰，這是因?yàn)樯匙又g的黏結(jié)力增強(qiáng)了，能夠保持一定的形狀。在月球上踩下的腳印，就像在潮濕的沙灘上踩下的腳印。

月球上只有黑、白、灰3種顏色，沒(méi)有彩色，但是月壤中發(fā)現(xiàn)了一些綠色的、橘黃色的玻璃珠，可能是火山噴發(fā)形成的火山玻璃。通過(guò)對(duì)這些顆粒的研究，可以了解月球火山形成的過(guò)程。

月球上的巖石

月球的巖石類(lèi)型要比地球上的簡(jiǎn)單得多。月球巖石基本上都是巖漿巖，因?yàn)樵虑蛏蠜](méi)有河流的搬運(yùn)作用，所以就沒(méi)有沉積巖。月球上也沒(méi)有高溫高壓的過(guò)程，所以也就沒(méi)有變質(zhì)巖。

月球上的巖石主要分為三大類(lèi)。第一類(lèi)是斜長(zhǎng)巖，主要分布在月陸地區(qū)。斜長(zhǎng)巖的主要成分是鋁和鈣的硅酸鹽，鋁和鈣組成了淺色的礦物，所以月陸的表面反射太陽(yáng)光的能力較強(qiáng)，看起來(lái)比較明亮。第二類(lèi)是玄武巖，月球上顏色比較深的地方叫月海，月海中分布的主要是玄武巖。在這種巖石里，鐵鎂質(zhì)的礦物含量比較高，所以看起來(lái)顏色偏黑。第三類(lèi)巖石叫角礫巖，這種巖石里既有斜長(zhǎng)巖的碎片，又有玄武巖的碎片，是因?yàn)槲㈦E石的撞擊產(chǎn)生的高溫，把周?chē)膸r石碎片熔融、黏結(jié)在一起，形成一種新的巖石類(lèi)型。

（責(zé)任編輯：白玉磊）