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冰冷的月坑中,或許有可利用的水冰資源

作者:華 凌 發布日期:2020-01-21 09:45

  月球,一直有著許多謎團有待解開。

  近日,在美國舊金山舉行的美國地球物理聯合會(AGU)秋季會議上,行星科學家對于月球兩極永久陰影區內隕石坑中的化學物質提出了新的見解,以及利用這些化學物質所需要的基本條件。研究人員稱,該研究可以幫助科學家了解這些化學物質能否成為未來登月任務的潛在資源。

  這些化學物質是如何在這些隕石坑中保存下來的?我們是否真的可以對其加以利用?這些潛在的可利用資源對人類探月來說意味著什么?帶著相關問題,科技日報記者采訪了中國科學院國家天文臺研究員鄭永春。

  常年處于黑暗,隕坑如“冰箱”

  “由于月球獨特的自轉傾斜角度,使得太陽光直接照射在其赤道位置,這讓月球極地區域的許多隕石坑受到‘冷落’,有些甚至常年不見陽光,被永久地吞沒在寒冷的黑暗中,就像一個個‘冰箱’,他們被稱為冷阱(cold traps)。”鄭永春介紹說。

  月球極區的這些冷阱,是幾十億年來被彗星和小行星撞擊后留下的“傷疤”。彗星的撞擊可能給月球留下水蒸氣、二氧化碳和甲烷等物質。由于月球沒有類似地球的大氣層保護,這些化學物質中的大多數會在陽光下分解并逃逸到太空中。但是,如果這些化學物質最終進入月球極區的冷阱中,它們就可能會擺脫蒸發的命運,被凍結數十億年。

  因此科學家推測,在處于極端低溫條件下的永久陰影區,存在有機物、水、冰等化學物質,但目前都是采用遙感手段得到的探測結果,并沒有實地采樣,所以這些化學物質到底是不是存在、含量有多高,還有待進一步證實。

  十多年來,美國國家航空航天局(NASA)的月球勘測軌道器(LRO)一直在測量來自太空中恒星和氫氣的微弱紫外線反射到月球冷阱中的信號。2019年科學家們研究了名為福斯蒂尼(Faustini)隕石坑的反射數據,發現反射的突然變化信號與冰有關,也認為這可能表明了有二氧化碳的存在。

  利用LRO收集到的相關數據,考慮到分子在到達冷阱前被分解的可能性,研究人員建立了一種模型,模擬研究了究竟有多少二氧化碳會進入到冷阱中。其研究結果表明有15%—20%的二氧化碳最終會落入冷阱中,這比此前預測數據要高,考慮到相對較小的冷阱面積,這一結果令人感到吃驚。

  開發利用難度較大

  有專家表示,了解這些化學物質和冷阱的具體信息,有可能將其作為一種潛在資源加以利用。如果人類在月球上定居,就可以把他們當作水源或燃料。然而,月球與地球不同,長期暴露在太空輻射下,月球上的資源是否還有利用的可能性?

  鄭永春說:“月球上的化學物質保存在深坑中,因為那里溫度低,并不會揮發。太空輻射會分解蛋白質、氨基酸等復雜有機物,但對干冰、水冰等化學物質并無影響,因而有可能長期地保存下來。他們是人類在月球上長期生存所需要開發利用的重要資源,畢竟把同類資源從地球上運輸過去成本太高昂了。”

  就目前人類科技水平而言,是否真的可以開發利用月球上的資源?鄭永春表示,月球極區不像其他地方,不僅存在極晝和極夜現象,且陽光不會垂直照射,溫度雖然很低,但晝夜變化相對平和,有利于探測儀器長時間穩定工作。而月球極地的冷阱處于極端低溫且永遠處于陰影區,所以探測儀器極難進行資源采集的工作,很多技術難題有待攻克。另外,由于月球水冰資源主要存在于月壤之中,并且存在形式復雜(混合水、束縛水、深埋冰塊等),具有時變性、分層性、跨區域性等不確定性,對其開發和利用提出巨大挑戰。

  鄭永春進一步介紹說,月球極區資源開發利用主要包括對月球極區水冰等揮發物資源的識別、含揮發物月壤的采集,以及揮發物的加熱提取、冷凝收集、分解轉換等多個技術環節。同時,月球極端環境下水冰和揮發物資源的開發利用面臨很多工程技術問題,如何結合月球極區極端低溫、缺乏光照的環境特點,尋求合理的技術途徑和方法,將是對月球極區水冰資源開發利用的關鍵。

  水冰資源作為深空探索活動,特別是載人探索活動的重要物質和能源,其應用貫穿于推進能源和再生生命保障系統的主要分系統和關鍵技術環節,其重要性不言而喻。鄭永春強調,蘊藏水冰等物質資源最為豐富的月球極區將是世界各國月球基地建設、長期運行的首選區域,也是未來載人登月活動的重要目標。因此,月球極區資源開發利用,特別是水冰資源,將成為近期探月活動的研究熱點。 
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來源:科技日報 編輯:李楠
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