中国科学家:嫦娥五号月球样品成分与美国阿波罗相差很大

3月22日 17:28 引自:www.toutiao.com

根据《美国化学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)刊载的一项新研究[1],中国原子能科学研究院核物理研究所的科学家分析了嫦娥五号带回的月球样品,结果发现其中的元素成分与当年美国阿波罗宇航员带回的月岩、月壤成分相差很大,这究竟是为什么呢?

作为地球的近邻,月球的引力对地球生态系统造成了很大影响,无论是海洋潮汐,还是地球自转轴的倾斜角度稳定,都与月球有关。研究月球的起源和演化,对于了解地球的历史和未来都非常重要。要深入了解月球,最好的办法就是去月球上采回样品,然后在地球上进行一系列分析。

半个多世纪前,美国宇航局(NASA)进行了阿波罗载人登月计划,阿波罗11号登月舱载着两位宇航员第一次成功登陆月球正面。此后,NASA又进行了5次成功的载人登月任务,还有另外10名宇航员踏上月球表面。

每次载人登月期间,宇航员都从月球表面上采集了不少的月球样品,阿波罗11号带回了大约21公斤。在最后一次载人登月任务时,阿波罗17号宇航员带回了多达110公斤的月球样品。前后六次,宇航员带回的月球样品总重约381公斤。

44年前,美国送了1克阿波罗月岩给我国。我国科学家把这块月岩切成两半,用其中0.5克开展了一系列研究,发表了十几篇科研论文。中国原子能院核物理研究所此前也研究了阿波罗月岩,分析出其中36种化学元素的含量。

但要深入研究月球,尤其是寻找月球中的矿产资源,例如,在地球上极为罕见的氦-3,我们需要更多的月岩和月壤。终于在2020年,我国的嫦娥五号创造了这样宝贵的研究机会。

嫦娥五号在月球正面西侧风暴洋成功着陆,这里是由远古火山喷发所形成的玄武岩月海。在月面停留两天后,嫦娥五号采集了1.731公斤的月球样品,成功带回地球。

随后,嫦娥五号样品进行了多次分发,我国的很多科研院校和研究所都拿到了宝贵的月球样品。这些月球样品引爆了我国科学家的研究热潮,发表了多篇研究论文,进一步揭示了月球的演化史。

中国原子能院的科学家通过仪器中子活化分析,用中子轰击月球样品,来产生放射性核素,进而确定样品中的元素种类和含量。科学家测定了嫦娥五号月球样品中的40多种元素,并与阿波罗宇航员带回的月球样品以及地球样品进行对比,结果发现,其中的主量、微量与痕量元素相差非常大。

当然,这并不意味着阿波罗载人登月是假的。因为月球上不同地方的元素组成和含量是不一样的,数次阿波罗载人登月任务带回了不同的月球样品。虽然阿波罗12号也是在风暴洋着陆,但与嫦娥五号的着陆点相距很远,所以采到的样品存在很大差异。

先前的研究表明,阿波罗月球样品都是非常古老,最年轻的至少也有30亿年,而最古老的甚至超过了44亿年,这几乎要追溯到月球的起源时间了。相比之下,嫦娥五号带回的月球样品年龄估计只有20亿年,这填补了月球演化史的时间空白,也意味着月球的地质活跃持续时间远超此前科学家的推测。

新研究表明,嫦娥五号与阿波罗月球样品也有相似之处,例如,Ba/La、FeO/MnO之比非常接近。这项新研究不但加深了人类对于月球演化史的认知,而且对未来的月球资源探测、开发与利用大有裨益。

以氦-3为例,这是人类梦寐以求的完美可控核聚变燃料。在地球上,氦-3的储量极低,非常罕见。而在月壤中,估计存在多达110万吨的氦-3。因为月球没有磁场和大气层的阻挡,主要来自太阳风(太阳高能粒子)的氦-3可以直达月表,并在月壤中不断沉积。

利用氦-3进行核聚变,不但不会有核辐射的问题,而且能量效率还非常高,只要100吨的氦-3,通过核聚变反应产生的电力就能满足全球人类1年的需求。因此,氦-3被认为具有极高的价值,每1吨的估值可达30亿美元。

目前,核工业北京地质研究院正在研究嫦娥五号带回的月球样品。希望我们能够早日实现从月壤中提炼出氦-3,从而在开采月球方面取得先机。我们需要把目光放得更远,氦-3不只存在于月球上,诸如水星这样的星球上也有大量的氦-3,相信未来的星辰大海离不开这种宝贵的物质。

参考文献

[1] Yonggang Yao, Caijin Xiao, Pingsheng Wang, et al. Instrumental Neutron Activation Analysis of Chang’E-5 Lunar Regolith Samples, Journal of the American Chemical Society, 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c13604.

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