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检测样本氦-3含量 打开月球能源宝库大门

来源:科技日报2021-08-03 09:10

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  7月30日,据中国探月与深空探测网报道,探月工程三期地面应用系统目前已完成第二批月球科研样品的处理,嫦娥五号任务第二批月球科研样品信息上线发布。

  就在不久前,第一批1731克的月球科研样品成为我国科学界的“香饽饽”。

  7月12日,国家航天局探月与航天工程中心在北京国家天文台举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式,13家科研机构成为首批开展月球科研样品研究的单位。其中,中核集团核工业北京地质研究院(以下简称核地研院)得到了50毫克月球样品。

  7月16日,核地研院开箱启用月球样品,揭牌成立核地研院月球样品分析检测实验室,宣布正式启动嫦娥五号月球样品科研工作。

  月球,这片古人眼中的极阴之地,究竟蕴含着何种能量?核地研院的科研人员准备用什么方法探寻这些能量?月球样品究竟能揭示月球哪些奥秘?带着这些问题,科技日报记者专访了核地研院。

  缺乏大规模试验 人类对月球核能元素认识有限

  对看过动画片《机动战士高达》的人来说,氦-3并不是什么神秘的名词。

  “月球基地以氦-3作为能源”几乎是科幻作品设定的“标配”。作为核聚变最理想的燃料之一,氦-3是许多科幻作品中的常客。它在地球上的含量非常稀少,在月球上却十分富足。

  据探月工程首任首席科学家、中国科学院院士欧阳自远估算,全世界一年的总发电量只需消耗约100吨氦-3,而月壤中的氦-3含量可满足长达万年的地球能源需求。开发月壤中所蕴含的丰富氦-3,对人类未来能源的可持续发展具有重要而深远的意义。

  核地研院院长李子颖告诉记者,目前科学家对包括月球氦-3在内的核能元素的认识,大多基于非常有限的月球取样以及天文物理和天体遥感探测数据,资源评价精准程度远远不够。现有的月壤氦-3提取技术也仅仅是建立在少量月球样品基础上的实验室数据,缺乏大规模试验和系统性的验证。

  “解剖”月壤样品 为未来月球氦-3利用打前站

  核地研院获得的50毫克粉末样品被置于该院实验大楼一楼一间实验室的手套箱内。该手套箱与用于核酸检测的移动方舱手套设计原理相似。不同的是,该手套箱内充满氮气,科研人员穿上白大褂,将手伸进手套箱,就能利用高倍光学显微镜进行矿物学观察和分类,然后再分别利用惰性气体质谱仪、电子探针、高精度激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪等设备,相继开展氦-3含量、矿物组成、主微量元素含量等的测定,为进一步的科学研究提供原始数据。

  核地研院月球样品分析检测实验室主任郭冬发告诉记者,核地研院想要从事上述研究离不开一件杀手锏——国内为数不多的Helix SFT稀有气体质谱仪。该质谱仪分叉管道设计,专门测试氦同位素,具有极高的灵敏度和分辨率,检测器配备法拉第杯和极低噪音电子倍增器,可实现对氦-3和氦-4的同时检测,显著提高测试准确度。与此同时,围绕此质谱仪,实验室还自主设计研发了双真空钽片加热炉和紧凑的气体纯化系统,并采用相关软件联合控制,实现了对样品中氦同位素的全流程自动化测试,显著提高了测试精度。这些条件为月壤样品中氦-3含量的准确测试提供了重要保障。

  核地研院月球样品使用责任人黄志新研究员认为,通过研究,有望查明制约氦-3等聚变元素核素吸附能力的月壤成熟度等关键科学问题,初步阐明嫦娥五号月壤样品中氦-3的富集特征及机制;厘定嫦娥五号月壤样品中氦-3的逸出特性和最佳提取温度;查明月壤样品的主、微量元素含量特征及对氦-3含量的制约;为估算月球氦-3资源量和探索月球氦-3利用可行性提供科学数据支撑。

  同时,黄志新也表示,月球样品具有特殊性,主要风险为微细颗粒操作失误(坠落、洒落等)和污染风险。为防止操作失误,操作人员必须经过模拟操作训练,并获得操作许可证后,再开始正式处理月球样品;为控制污染,研究人员在使用样品过程中,需要尽可能避免使用易污染的材料和试剂,同时建立预防未知风险因素预警机制。

  样本增加新“成员” 有望解开更多月球奥秘

  月球的年代学研究既是一个复杂的系统性工程,又是一个在行星科学中极为重要的基础性研究工作,对于揭示月球的形成及演化规律具有重要意义。

  基于现有的从月球返回样品的年代学研究工作,科学家构建了月球地质年代的基本框架,但由于样品分布范围有限,并不能代表整个月球的情况,且留下了30—10亿年间无月球样品的空白。

  嫦娥五号采样返回意味着具有明确采样位置的月球样品又增加了新的“成员”,并且此次重返月球有可能采集到更多来自不同地质背景、形成于不同历史时期的月球样品,对完整还原月球历史,真正全面认识月球,认识地月系统,甚至认识整个太阳系的存在有着重要的意义。

  值得一提的是,嫦娥五号采样位置位于风暴洋北部吕姆克山附近,有可能采集到克里普岩(KREEP),该岩通常以富集钾(K)、稀土元素(REE)、磷(P)、钍(Th)、铀(U)元素为特征,这为研究铀钍分布和富集特征以及KREEP岩的形成机制等这些目前未能解决的关键问题提供了有利条件。

  从长远看,虽然月球的地质作用没有地球的那么复杂和频繁,但充分认识月球的地质作用过程和月表特征,包括样品形成时的环境和条件,对认识月球的地质历史和演化仍旧非常重要,也可为月球和地球的比较研究及两者的成因关系提供依据,甚至对认识地月系统乃至整个太阳系有着重要的意义。

  月球是一个巨大的绕地轨道“空间站”,一个地球引力之外的天然卫星,在人类向宇宙开拓时,可利用月球的原材料为星际探索提供助力。开展核能裂变和聚变元素资源评价研究可为未来地球应用和星际开拓提供参考和支撑。(孙明源 陈 瑜)

[ 责编:蔡琳 ]
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