文章來源：科技日報 發布時間：2020-11-23
九天攬月星河闊，十六春秋繞落回。11月17日，被稱為“胖五”的長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作后，垂直轉運至發射區，計劃于11月下旬擇機實施發射。
本次嫦娥五號月球探測器計劃首次實現從月球的采樣返回，把月壤或月巖等寶貴樣品帶回地球，屆時將有望為我國探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步走發展戰略畫上一個圓滿的句號。
地月之間平均單程距離約為38萬公里，走一個來回將近80萬公里，月球樣品中究竟有哪些奧秘值得我們如此費力去挖掘？回望歷史，人類在去月球“挖土”這件事上取得過哪些成就？本次我國嫦娥五號任務從取樣地點到采樣重量上會有哪些特別之處呢？
月壤雖是土，價值抵萬金
“月壤即月球的土壤，雖然在月球上唾手可得，但是對地球人來說卻蘊藏著巨大的科學價值。”中國地質大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍說，月壤是研究月球的樣本，由月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用后形成，其中有大量的月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質，既可以了解月球的地質演化歷史，也可以為了解太陽活動等提供必要的信息。
“探測月球有3種常用方法。”全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩表示，一是環繞探測，主要用于對月球進行綜合性普查；二是著陸和巡視探測，主要用于對月球進行區域性詳查；三是采樣返回探測，主要用于對月球進行區域性精查。相比前兩種方法，采樣返回探測，可以將月球的月壤等關鍵性樣品運回地面實驗室供科學家進行精準分析研究，有利于進一步了解月球的狀態、溫度、物質含量等重要信息，深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識。
龐之浩表示，從技術層面看，3種空間探測方式有明顯的遞進關系，每一步都是對前一步的深化，并同時為下一步奠定基礎，最終達到全面、深入了解月球的目的。完成月球取樣返回任務，需要經歷一個全面、精細、深入的科學探測過程，可以突破一系列關鍵技術，并為今后載人登月和月球基地選址等提供有關數據、奠定技術基礎。
“挖土”有魅力，各國都很拼
“冷戰期間，當時的航天超級大國美國和蘇聯都很熱衷于去月球采樣。”龐之浩介紹，蘇聯月球16號探測器從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。月球20號探測器和月球24號探測器則分別從阿波羅尼厄斯高地和月球危海采集到了55克與170克樣品。
“載人飛船從月球采樣返回，不僅采集量大、選擇性強，而且采集范圍可以很廣，因為航天員可以到艙外活動，還能乘月球車漫游到比較遠的地方去采集月球樣品。例如美國阿波羅系列任務采樣位置的地理分布、地質特征就非常豐富。”龐之浩說。
1969年7月至1972年12月，美國通過阿波羅11號到阿波羅17號載人飛船實施了7次載人登月任務，除了阿波羅13號因發生故障中途返回，其余6艘飛船皆完成登月，成功將12名航天員送上月球，共帶回月壤和月巖樣品約381.7千克。
據介紹，阿波羅11號著陸在月球赤道附近的寧靜之海，選擇這個地點的原因是這里比較平坦，便于飛船降落和宇航員艙外活動。
阿波羅12號與阿波羅14號均著陸在月球赤道平原上，前者著陸于風暴海，后者降落在位于距離阿波羅12號著陸地右側177公里的哥白尼隕石坑。
阿波羅15號著陸在月球北半球中部阿基米德隕石坑東南的亞平寧山脈腳下，而阿波羅16號則是人類第一次在月球赤道以南的中部高地西奧菲勒斯隕石坑附近著陸。
阿波羅17號則在月球北半球的陶勒斯-利特羅山谷著陸，該地既可以從谷底采集較為年輕的巖石樣本，也可以從月球高地采集較老的巖石樣本。
“通過對月球樣品的分析，科學家們取得了豐碩的成果。”龐之浩說，科研人員通過研究發現，月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，它們是在月幔部分融化過程中，于月球表面下約300千米深處形成，因火山活動而噴出到月球表面。通過對樣品的分析與實驗證實，月壤和月巖中氧化鐵的含量很高，從中可以制取水和氧，未來可利用月面物質支持月球基地的運行，并為登月飛行器補充燃料。更重要的是，科學家還在采集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用于核聚變發電后能夠滿足人類約1萬年的能源需求。
嫦娥有特色，選址位置新
“我國嫦娥五號對月壤的采樣能力更強。”龐之浩表示，蘇聯月球16號、月球20號和月球24號3個無人月球探測器進行了3次月球采樣返回任務，帶回的月球土壤樣品僅約330克，而我國僅嫦娥五號1個探測器就計劃帶回2千克月球樣品。
據龐之浩介紹，采樣重量會出現這么大的差別，是因為當時的蘇聯尚未掌握月球軌道無人交會對接技術，所以其3次無人月球采樣任務采用的都是月面起飛直接返回地球方案，這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料帶來的巨大負重，因此極大壓縮了采樣重量。而嫦娥五號計劃采用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器不用搭載返回艙，只需少量燃料，因此采樣重量呈幾何級提高。
另據相關報道，嫦娥五號的取樣地址也很有特色，具有很高的研究價值。嫦娥五號將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，此地從未有其他國家的探測器到訪過。風暴洋相對較年輕，富集鈾、釷、鉀等放射性元素，該地存在大約13億至20億年前的玄武巖，獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助于推進對月球火山活動和演化歷史的認識。
正如11月5日國際頂尖科學期刊《自然》刊文所言，嫦娥五號可以填補科學家對月球火山活動研究的一個重要空白。此前對美、蘇獲取月壤樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。但對月球表面的觀測發現，某些區域可能含有最近10至20億年前才形成的火山熔巖，這與嫦娥五號著陸地區的年齡相仿。如果嫦娥五號采回的樣本能夠證實這段時間月球仍在活動，將改寫月球的歷史。
【責任編輯：趙藝涵】