7月5日举办的2019软件定义卫星高峰论坛上,中国科学院院士、中国探月工程首任首席科学家欧阳自远表示:“嫦娥五号将软着陆在月球上,随后取样返回。”
嫦娥五号将实现4个重大突破,即首次在月球表面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
月壤指的是月球表面表层岩的细颗粒部分(小于1cm)。月表的岩石受到小天体频繁撞击、破碎、溅射和太阳的辐射,形成3~20m厚覆盖月表的月壤层。月壤是由月岩组成,直径小于1cm,所有大于等于1cm的都称之为岩石。月球表面没有地球大气层保护,直接面对的是超速陨星的撞击,导致了月表岩石的分裂破碎,并有一定程度的熔合、聚变、气化蒸发、粉碎,使得月壤颗粒尺寸逐渐变细。
研究表明,月壤的形成过程可以分为早期和晚期两个阶段。早期阶段,月面上基岩刚刚固结暴露,月壤厚度极薄,还不到几厘米,无论是大的撞击体还是小的撞击体,在撞击月面时都穿透月壤并挖掘出新鲜的基岩并使部分基岩破裂、粉碎,因此,这一阶段月壤厚度增长的速度很快。在月壤形成的晚期阶段,随着月壤厚度的不断增加,只有大撞击体在撞击过程中才能穿透月壤并挖掘出新鲜基岩,而较小的撞击体的撞击作用仅仅起到混合和搅乱原先存在的月壤的作用,所以月壤厚度的增加较为缓慢,但其机械混合作用使得月壤的成分特别是月壤中稀有气体的成分变得均匀。
月壤具有黏性,颗粒非常细小,是由玄武岩和辉长石演变而来的松散颗粒,平均粒径为40~800mm。月壤有5种基本的颗粒类型:矿物碎片、原始结晶岩碎片、角砾岩碎片、不同种类的玻璃体和胶结物。
胶结物是月壤重要的组成部分,在月壤中大量存在,特别是在成熟的月壤中,体积可以占到65%。胶结物是一些矿物颗粒、玻璃体甚至老的胶结物联结起来的独特颗粒,是由于月球表面微陨星体连续不断地轰击而产生的,其分布量随着时间的增加而增加,并且直接与累计暴露的龄期成比例。月壤中胶结物的百分量是标志其成熟度最有效的指标之一。
无水、无大气、高还原状态、巨大的温差以及表面持续不断的轰击作用等特殊条件及因素等决定了月壤的形成过程和演化机制与地球土壤完全不同。太阳光的长驱直入,不但对月球表面会引起月面物质的物理性质变化,也引起了化学成分的变化,尤其是太阳风粒子直接注入到月面物质颗粒表面,使月壤富含太阳风组分。
因此,对月壤的系统研究,可提供如下丰富的信息:①早期太阳系演化年代学;②月球岩石与土壤暴露与辐射历史;③太阳系行星去气历史;④太阳风性质和太阳表层的成分特征;⑤由于太阳风富含稀有气体等气体成分,因此,对月壤的研究,可提供月球资源的开发利用前景的重要信息,对未来月球基地位置的优选提供重要的科学依据;⑥月壤的物质主要来源于下覆岩石,因此,对月壤的研究,对了解月壳物质成分及其分布特征、演化历史等重要的意义。
最最关键的是,地球上能源的短缺是一个不争的事实,而我们知道,氦-3是一种人类将来可长期使用的、清洁、安全和高效的可控核聚变发电的燃料,因此,现实而可行的解决未来能源问题的途径可能是建立和使用“氦-3”的可控热核发电。因为,利用这种反应堆中缺乏中子辐射,不会造成环境危害。
返月样品分析结果表明,月壤的中氦-3极为丰富,而地球上“氦-3”储量极为有限。如果将月壤中全部“氦-3”用于可控核聚变发电,按照目前世界上能源的消耗水平,月球上的“氦-3”可以满足人类1万年以上的供电需求。此外,在提取月壤中“氦-3”过程中的副产品即其他气体组分也是月球上重要的资源之一。
随着人类航天技术的发展,特别是深空运载能力提高和成本降低,开发利用月壤上的稀有气体特别是“氦-3”资源对人类未来能源的可持续发展具有深远的意义。
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