松山湖材料實驗室啓動月壤物性研究——未來月球科研站建設或可“就地取材”
2021-10-08 08:02
來源: 南方日報

松山湖材料實驗室啓動月壤物性研究——未來月球科研站建設或可“就地取材”

人工智能朗讀:

從嫦娥奔月的浪漫傳説,到舉頭望月的家國情思,再到上九天攬月的壯志豪言,月亮始終在中國傳統文化中有着獨特意涵。2020年12月,嫦娥五號探測器圓滿完成月球樣品採樣返回任務,讓中國人得以與月亮“零距離”接觸。凝聚了無數航天人心血與智慧的珍貴月壤樣品該怎麼用、在哪些領域使用才能更大地發揮其價值,一直是人們關注的問題。

作為廣東省首批啓動建設的省實驗室之一,不久前,東莞松山湖材料實驗室接收首批約0.85克月壤,接下來將開展一系列科學研究,未來為認識月球與地球、月球原位資源開發利用及逐步實現長期載人地外生存等提供重要科學依據。

為載人登月提供技術驗證與支持

今年7月12日,國家航天局探月與航天工程中心在北京舉行了第一批月球科研樣品發放儀式,共計13家單位獲得17.4764克月壤樣品,標誌着嫦娥5號首批月壤樣品科學研究工作正式啓動。其中,松山湖材料實驗室主任、中國科學院極端條件物理重點實驗室主任汪衞華院士代表中國空間技術研究院領取了月球樣品使用證書,共獲得約8克樣品。作為重要合作單位,松山湖材料實驗室在本次研究中承擔了關鍵任務。日前,研究團隊正圍繞首批0.85克月壤樣本,開展一系列月壤物性及綜合利用研究。

“松山湖材料實驗室有先進的材料結構、成分測試平台,有着一批物質科學領域的資深專家和優秀青年科學家等一流人才,利用實驗室平台和能力可以研究月壤的微觀結構、穩定機制等,同時還可以研究月壤在‘納米—分子—原子’尺度下的理化性質,利用中子散射、同步輻射等技術研究月壤主要組成元素的電子精細結構等。”汪衞華介紹。

2019年底,松山湖材料實驗室還與錢學森實驗室聯合成立太空材料科學與應用研究中心,圍繞多個相關課題展開研究。目前,空間材料團隊擁有成熟的相關領域技術積累,與研究月壤這一方向更為契合。

未來一年時間內,研究團隊將從材料角度研究認識月球地質、環境的歷史和演化,並在月壤物性研究基礎上,開展月球水冰資源收集利用、氧氣製備、金屬提煉、地外人工光合成技術,以及月壤3D打印等一系列技術研究,為我國載人登月及月球科研站建設提供技術驗證與支持。

通過月壤研究更好地認識地球

“我們一直生活在地球上,大部分情況下都會見到月亮,它看着離我們很遙遠,但從科研角度上看,它與地球擁有同等重要地位,地球、月球對整個太陽系來説,彼此是最親密的、最近的鄰居。”材料實驗室空間材料團隊負責人張博研究員説道。

地球是如何形成的?地球曾經發生過什麼?為什麼如今地球擁有這樣的環境?張博表示,地球的形成過程,與月球是相關的,在月壤研究中獲得的線索,將幫助人們更好地認識地球。

近日,張博帶領空間材料團隊對這珍貴的0.85克月壤開展研究,試圖通過光學顯微鏡、CT掃描等測試方法,進一步揭開月壤在結構、形貌等方面的神祕面紗。

“從阿波羅號取得的月壤研究成果來看,月壤中含有十多種與地球上相同的氧化物,但它們的形成歷史不一樣。在地球上存在十幾億年,和在月球存在十幾億年,是截然不同的條件,生成的結果也會有所不同,這是很有意思的地方。”張博表示,經過風化、撞擊、腐蝕等,地球土壤與月壤的形狀結構均會有所改變。據瞭解,過去美蘇兩國取得的月球樣本,形成年齡在32億—46億年,人類正是通過對其進行分析,才建立起月球46億年左右的演化歷史。而與美蘇不同的是,此次嫦娥五號選擇的着陸點是月球一處相對年輕的區域,形成年齡大概在10億—20億年之間。

張博表示,此次中國研究的是相對年輕的月壤樣本,這既能驗證過往科學界提出的假設,也將完善現有的模型,比如月球形成年代的計算等。同時,往後的科學家們可以利用這些原始數據,繼續從不同維度來分析月球,解讀歷史。

研究月壤3D打印儲備登月技術基礎

“由於從地球運送資源至月球本高昂,想實現未來在月球開展研究和建設,有必要在月球上‘就地取材’,利用3D打印是一個潛在的好方法。”張博指出,目前團隊正圍繞這一計劃開展研究,以期實現未來在月球上建造出與地球相似的環境和設施。

當前,松山湖材料實驗室試圖研究月壤熔化凝固行為,發展月壤3D打印等原位資源利用技術。研究月壤的組成、顆粒徑級配等材料特徵,發展月壤3D打印等原位資源利用技術,可以為今後人類居住月球儲備技術基礎。該實驗希望按照月球土壤的組成成分和顆粒大小,加工成模擬月壤,為未來打印建造月球定居點的磚塊提供驗證。為此,松山湖材料實驗室還計劃通過自主研製及採購相關配件的方式,製作能以模擬月壤為原材料的3D打印機。

“太空環境與地球環境截然不同,月球上可能面臨失重、無氧、無水且擁有輻射的特殊環境,研製的材料性能表現如何,是團隊研究過程中需要重點考量的方面。”張博表示,這些也是團隊在研製3D打印設備時需要克服的基本障礙,相關參數方案均需要重新構建。“東莞和深圳在3D打印方面具備較強實力,這些相關產業的提升、創新,對我們研究會有幫助,有助於優化我們的打印設計方案。”張博説。目前,粵港澳大灣區範圍內有部分公司正在參與月壤3D打印技術的研製和裝備設計,實驗室研製設備所需的零件、設備採購將來自這些公司。張博表示,大灣區雖然缺乏專門針對該研究方向的實驗室,但具備相對全面且強大的科創實力,隨着此項研究的開展,將與區域產業很好結合。

張博表示,本次研究預計將通過嫦娥五號玻璃樣品中物相成分含量的精確測定,揭示月壤熔化和凝固規律、流變動力學行為特性、3D打印的性能和工藝方案。

●陳啓亮 張莎

[編輯:譚悦]