嫦娥五號月壤樣品研究成果發表70余項—— 85.48克月壤揭示奧秘何其多

嫦娥六號探測器示意圖。資料圖片

中國科學院科研人員在用月壤樣品做實驗。新華社記者 金立旺攝

中國科學院科研人員在用月壤樣品做實驗。新華社記者 金立旺攝

“嫦娥石”理想晶體圖。中核集團核地研院供圖

本報記者 臧春蕾 喻思南

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嫦娥六號即將回到地球，大家對它采集的月壤樣品充滿期待。而嫦娥五號帶回的月壤樣品，3年多來研究情況怎么樣？

截至目前，國家航天局已向國內131個研究團隊發放7批次共85.48克科研樣品，70余項多個領域研究成果在中外重要學術期刊發表。通過研究月壤，許多月球奧秘正在揭開。

6月25日，完成月球背面采樣的嫦娥六號，就要帶著“月球包裹”出差回家，抵達地球了，首次月背采樣返回之旅即將結束。

而在2020年12月17日，嫦娥五號從月球帶回1731克月壤樣品，這是人類首次獲得的月表年輕火山巖區樣品，也是中國科學家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。

3年多來，國家航天局已向國內131個研究團隊發放7批次共85.48克科研樣品，第一批國際申請已完成專家評審。目前共產出105篇科技論文，尤其發現了月球第六種新礦物“嫦娥石”，通過樣品的地質定年將月球火山活動結束時間推遲了約8億年，創新發現太陽風成因機制等科學成果；在國家元首會見時，向俄羅斯、法國各贈送1.5克科研樣品；在國家博物館、黨史展覽館等場館長期展出，赴港澳等地公開巡展，充分發揮月球公益樣品科普價值。

專家表示，雖然發放月壤樣品僅占采回樣品的5%左右，但取得的科學研究成就涵蓋了月球形成、演化、太空風化作用與機制以及資源利用等多個領域，推動了我國行星科學的發展，培養了行星科學研究的人才隊伍，初步形成科學、技術、工程融合創新發展。

測定月壤樣品形成年份，將月球火山活動結束時間推遲約8億年

專家介紹，嫦娥五號月壤樣品采自月球的玄武巖單元，這些玄武巖是月幔形成的巖漿溢流到月表固化而成的巖石，它們記錄著月球演化的密碼。

“嫦娥五號著陸區是月球最年輕的玄武巖單元之一，此前研究推測這一區域的年齡為10億至30億年，但這種推測方法存在極大的不確定性。”中國科學院地質與地球物理研究所研究員賀懷宇介紹，利用自主研發的超高分辨定年技術，我國研究團隊測定嫦娥五號月壤樣品玄武巖形成于20億年前，將月球火山活動的結束時間推遲了約8億年，并為撞擊坑定年曲線提供了關鍵錨點，大幅提高了內太陽系星球表面撞擊坑定年的準確度。

除了月球巖漿活動停止的確切時間外，月球最晚期巖漿活動的成因也一直是未解之謎。以前科學界存在兩種可能的解釋：巖漿中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低熔點。

然而，我國對月壤的最新研究卻排除了這兩種主流觀點。

研究人員發現，嫦娥五號月壤樣品中的玄武巖初始熔融時并沒有富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質”，這一結果否定了初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的假說。

對于巖漿是否富含水，研究發現，月幔的水含量僅為1—5微克/克，也就是說，月幔非常的“干”。

基于以上研究，我國科學家提出新的年輕火山形成機制和月球熱演化模型，并對未來的月球探測和研究提出了新的方向和啟示。國際學術期刊《自然》發表評述文章指出，“嫦娥五號任務在過去從未涉足的月球表面，帶回了迄今為止采集到的最年輕火山巖樣品，這些巖石的研究結果表明非常有必要修正已有的月球熱演化模型”。

研究月表水成因，太陽風為月球帶來可利用的水

近10年來，諸多探測器和觀測結果都表明月表普遍存在水（OH/H2O），兩極含量高、赤道含量低，極區甚至有水冰，且隨日照時間發生動態變化。科學家認為，太陽風、火山噴發、小行星和彗星都有可能是月表上水的重要來源。但是，由于缺乏直接的樣品分析證據，月表水的成因和分布一直存在爭議。

中國科學家對嫦娥五號月壤樣品的最新研究顯示，月表中緯度區域太陽風在月壤顆粒表層中注入的水比以往認為的更多，而月球高緯度區域可能含有大量具有利用價值的水資源。

研究人員通過氫與氘的比值分析證明，嫦娥五號月壤顆粒的最表層的水都是由太陽風高速注入月球表面的。科研人員分析發現，從太陽發射出的氫離子平均速度達到每秒450公里，它們就像子彈一樣打入月壤顆粒的表層。

通過紅外光譜和納米離子探針分析，中國科學院地球化學研究所科研團隊發現，嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水，根據估算，太陽風質子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為179ppm（濃度單位），相當于每噸月壤中至少含有170克的水。

研究團隊基于再加熱實驗分析結果，對不同溫度下月壤顆粒中氫的保存開展了數值模擬，結果顯示太陽風成因水可在月表中、高緯度地區得到較好保存。該研究證實了月表礦物是水的重要儲庫，為月表中緯度地區水的分布提供了重要參考。

專家表示，這一發現對于未來月球水資源的利用具有重要意義。中國計劃在月球南極建科研站，研究表明月球南極區域的水含量，可能比人們以往認為的還要多，而且這些月壤中的水通過粒度分選和加熱，比較容易開采利用。

研究月壤氦-3提取，為開發月球能源提供基礎科學數據

作為潛在的核聚變燃料，氦-3被認為是一種未來的能源。有科學家估算，如果有100萬噸的氦-3，就能為地球提供1萬年的清潔能源支撐。

中核集團核工業北京地質研究院高級工程師李軍杰介紹，氦-3在地球上儲量極低，而月球上儲量卻極為豐富。通過對嫦娥五號月壤樣品進行階段升溫提取氦-3的方式，科研人員確立了月壤氦-3的最佳萃取溫度參數。這些關鍵科學數據為我國今后月球氦-3資源總量估算，以及氦-3資源的勘探開發提供了基礎支撐。

針對月球氦-3資源開采方法的研究，中國科學院寧波材料所、錢學森空間技術實驗室等聯合團隊發現，月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。鑒于氦在鈦鐵礦中的高溶解度，研究人員認為氦原子首先由太陽風注入鈦鐵礦晶格中，之后在晶格的溝道擴散效應下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結構，限制了氦原子的釋放，氦原子被捕獲并逐漸儲存起來，形成了氣泡。

基于這一發現，科研人員通過機械破碎方法在常溫下提取以氣泡形式儲存的氦-3，這一方式不需要加熱至高溫，為今后在月球原位開采氦-3資源提供新的可能性。

發現“嫦娥石”，是人類在月球上發現的第六種新礦物

從嫦娥五號月壤中，中核集團核工業北京地質研究院科研人員還“挖”到了“嫦娥石”。“嫦娥石”是一種磷酸鹽礦物，呈柱狀晶體，存在于月球玄武巖顆粒中。

據介紹，中核集團核工業北京地質研究院月球樣品研究團隊，通過X射線衍射等一系列技術手段，在14萬個月球樣品顆粒中，分離出一顆粒徑約10微米大小的單晶顆粒，并成功解譯其晶體結構。經國際礦物學會（IMA）新礦物命名及分類委員會（CNMNC）投票通過，確證為一種新礦物，并被命名為“嫦娥石”。

“嫦娥石”是人類在月球上發現的第六種新礦物，我國也成為世界上第三個在月球發現新礦物的國家。

專家介紹，嫦娥六號任務之前，人類共對月球進行了10次采樣，均位于月球的正面。嫦娥六號探測器著陸區位于月球背面的南極—艾特肯盆地區域內，這片區域是月球最古老、最大的隕石撞擊坑。采集這里的樣品并進行分析研究，將填補人類獲取月球背面樣本的空白，深化人類對月球成因和太陽系演化歷史的認知。

受訪科研人員表示，有嫦娥五號月壤研究的積累，他們對嫦娥六號樣品研究充滿期待，也滿懷信心。