凝聚了無(wú)數(shù)航天人心血與智慧的1731克珍貴月壤樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價(jià)值，一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。
12月17日凌晨，赴月“出差”23天的嫦娥五號(hào)返回器成功降落在內(nèi)蒙古四子王旗，嫦娥五號(hào)“挖土”任務(wù)順利完成。此次任務(wù)共帶回約1731克月壤樣品，之后，這些珍貴的月壤樣品將進(jìn)入科研領(lǐng)域，為人類(lèi)了解月球、探索更遙遠(yuǎn)的深空提供重要參考。但是，嫦娥五號(hào)千辛萬(wàn)苦帶回來(lái)的月壤樣品為什么一定要保證“原汁原味”，又是怎樣做到的?對(duì)待這些用一點(diǎn)少一點(diǎn)的樣品，科學(xué)家們準(zhǔn)備采取怎樣的方式進(jìn)行分析研究呢?
分析結(jié)果受影響已有前車(chē)之鑒
在采樣、封裝、運(yùn)輸、開(kāi)艙、移交的整個(gè)過(guò)程中，如何保證此次嫦娥五號(hào)帶回來(lái)的月壤樣品不被污染是設(shè)計(jì)者們極為關(guān)注的問(wèn)題，直接關(guān)系到后續(xù)的分析、研究工作能否順利開(kāi)展以及月壤樣品分析的成果能否取信于人。
“地球大氣中存在的氧氣、水分，甚至地球環(huán)境中的各類(lèi)微生物等，都有可能對(duì)樣品造成污染。”嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢介紹，在阿波羅登月時(shí)代的兩個(gè)案例可以很好地證明這一點(diǎn)。“在對(duì)阿波羅帶回的月壤樣品進(jìn)行分析后，曾有科學(xué)家宣布月壤中是含水的，但這受到很多人的質(zhì)疑，因?yàn)樵诎⒉_的樣品運(yùn)輸、處理中都無(wú)法確保其未接觸地球的大氣，而根據(jù)我們從地球上對(duì)于月球的觀測(cè)，在月球正面的大部分區(qū)域是沒(méi)有水冰的，即便有，在月球真空且直接受到太陽(yáng)輻射等的環(huán)境條件下，也很快就揮發(fā)掉了。因此，相關(guān)結(jié)論并未得到學(xué)界的認(rèn)可。”
“1969年，阿波羅12號(hào)登月后，宇航員造訪1967年降落在月球上的勘查者3號(hào)，從已經(jīng)著陸兩年多的探測(cè)器上取回了一些設(shè)備，用于研究長(zhǎng)期暴露在月球上的設(shè)備是否會(huì)受到諸如月塵、高低溫變化、太空輻射等的影響。但令人驚訝的是，后來(lái)有科研人員在設(shè)備內(nèi)部檢測(cè)出了一種地球上的微生物鏈球菌，對(duì)此科研人員提出了兩種可能的解釋?zhuān)皇窃虑蛏洗_實(shí)存在這種微生物，二是這種微生物是勘查者3號(hào)從地球帶去的，在月球上生存了兩年，沒(méi)有被嚴(yán)酷的空間環(huán)境殺死。這兩種解釋?zhuān)瑹o(wú)論取信哪一種，都是令人震驚的，在當(dāng)時(shí)引起了很大的爭(zhēng)議。后來(lái)，直到2000年，一些從事行星保護(hù)的研究者分析當(dāng)時(shí)的過(guò)程錄像，發(fā)現(xiàn)參與研究的科研人員的衣服都是短袖，很可能是他們暴露在外的皮膚上的微生物污染了樣品，才得出了這樣的錯(cuò)誤結(jié)論。因此，后來(lái)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)改進(jìn)了地外天體樣品分析的流程，避免再次發(fā)生這樣的錯(cuò)誤。”彭兢說(shuō)。
“雙保險(xiǎn)”保證樣品不被污染
此次對(duì)月壤樣品的保護(hù)主要依賴(lài)于兩層防護(hù)。首先是采用漏率極低的密封封裝裝置。“在月壤樣品尚未返回地球時(shí)，無(wú)論是在月球表面的采樣過(guò)程，還是在太空中的交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程，都能夠保證真空環(huán)境，需要擔(dān)心的是溫度變化可能對(duì)樣品造成的影響。為此，科研人員將返回器中密封封裝裝置的溫度保持在-25℃—55℃，這個(gè)溫度與月球自身的溫度范圍(-180℃—130℃)相比變化很小，因此對(duì)月壤樣品沒(méi)有影響。特別是在返回器進(jìn)入地球大氣的過(guò)程中，盡管返回器表面溫度高達(dá)2000℃—3000℃，但密封封裝裝置內(nèi)的溫度依舊能夠保持在這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。”彭兢說(shuō)。與此同時(shí)，嫦娥五號(hào)采用的密封封裝裝置漏率極低，可以確保回到地球后，即便在地球大氣中停留72小時(shí)左右，也不會(huì)有其他物質(zhì)進(jìn)入裝置污染月壤樣品。
第二層保護(hù)是在返回地球后交接、運(yùn)輸和處理過(guò)程中的相關(guān)措施。當(dāng)密封封裝裝置轉(zhuǎn)交給科學(xué)家時(shí)，他們會(huì)使用一種專(zhuān)門(mén)的保護(hù)裝置來(lái)存放密封封裝裝置，里面充了保護(hù)性氮?dú)狻！暗獨(dú)馐且环N惰性氣體，參考過(guò)去的處理經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家認(rèn)為其與月壤樣品間不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因此在樣品轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸過(guò)程中能最大限度地保護(hù)密封封裝裝置中的月壤樣品。后續(xù)在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)打開(kāi)密封封裝裝置的過(guò)程中，研究人員也需戴著手套在充氮的特殊裝置內(nèi)處理密封容器和月壤樣品，從而盡可能保持月壤樣品的原始形態(tài)。”彭兢說(shuō)。
為了保存和處理好月壤樣品，地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)家們想盡辦法，建設(shè)了專(zhuān)門(mén)的存放設(shè)施和樣品處理分析實(shí)驗(yàn)室，制定了詳盡的操作規(guī)程，盡可能保證月壤樣品不被污染，從而獲得正確可信的科研成果。
“多管齊下”節(jié)約珍貴樣品
凝聚了無(wú)數(shù)航天人心血與智慧的1731克珍貴樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價(jià)值，一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。
所謂無(wú)損分析，即在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。“樣品回來(lái)后根據(jù)正常程序，要經(jīng)過(guò)一個(gè)無(wú)損—少損—有損的分析過(guò)程，以保證最大的科學(xué)產(chǎn)出。”中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院教授肖龍說(shuō)。無(wú)損分析可以幫助研究者了解樣品的基本情況。吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授趙玉巖表示：“目前常見(jiàn)的無(wú)損分析比如X射線熒光光譜法，就是利用X射線光管發(fā)出的初級(jí)X射線激發(fā)樣品中的原子，通過(guò)分析樣品中不同元素產(chǎn)生的特征熒光X射線波長(zhǎng)(或能量)和強(qiáng)度，獲得樣品中的元素組成與含量信息。”
為了節(jié)約樣品，在不得不損害樣品時(shí)，研究者也傾向于使用微量分析，在這種分析方法中，被測(cè)物質(zhì)的許可量通常僅約為常量的百分之一，重量約為1—15毫克。“比如激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)，該技術(shù)是將激光束聚集于樣品表面使之融蝕氣化，并通過(guò)載氣將樣品微粒載入等離子體中電離，經(jīng)質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾，最后用接收器分別檢測(cè)不同質(zhì)荷比的離子。這種技術(shù)直接剝蝕固體樣品，避免了試劑污染、樣品分解不完全、易揮發(fā)元素丟失等問(wèn)題，而且消除了水和酸造成的多原子離子干擾。此外，微量技術(shù)手段還包括納米離子探針技術(shù)、顯微激光拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜法等。”趙玉巖說(shuō)，目前的分析技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始向智能化、小型化、在線式及儀器聯(lián)用方向發(fā)展，但針對(duì)月壤樣品的珍貴性和特殊性，還需要進(jìn)一步完善分析方法，提高相應(yīng)儀器的靈敏度和分辨率，研發(fā)新技術(shù)新方法。
月壤樣品能告訴我們這些
通過(guò)對(duì)月壤樣品的分析，可以對(duì)研究者建立的用以估算天體表面年齡的數(shù)學(xué)模型的結(jié)果進(jìn)行校正。肖龍說(shuō)：“已有的月球年代曲線是用人類(lèi)現(xiàn)有的月球樣品校正過(guò)的，基本覆蓋從39億年到30億年，但從30億年到十幾億年的數(shù)據(jù)由于缺乏樣品無(wú)法校正，此次嫦娥五號(hào)帶回的樣品剛好彌補(bǔ)了這段時(shí)間的空白。”
同時(shí)，此次獲得的月壤還能夠?yàn)槿藗兞私庠虑虻刭|(zhì)演化提供重要參考。嫦娥五號(hào)著陸區(qū)是月球上規(guī)模最大的晚期玄武巖之一，其獲取的玄武巖樣品比美國(guó)阿波羅計(jì)劃和蘇聯(lián)月球16號(hào)獲取的樣品都要“年輕”。吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授孟治國(guó)說(shuō)：“玄武巖的年齡越小，意味著其源區(qū)越深。以這些采樣為代表的深部月幔物質(zhì)和以阿波羅計(jì)劃玄武巖為代表的淺部月幔物質(zhì)，在鈦鐵含量、礦物成分上必定會(huì)存在差異。研究者希望從中獲得晚期玄武巖源區(qū)地球化學(xué)和礦物學(xué)性質(zhì)及其同位素和微量元素特征的新知識(shí);了解放射性元素釷(Th)的富積機(jī)制及其在后期火山活動(dòng)中的作用;提高對(duì)晚期月球內(nèi)部熱演化歷史的理解，進(jìn)而檢驗(yàn)和約束月球熱演化的模型，解讀月球火山活動(dòng)晚期的一些懸而未決的問(wèn)題。”
孟治國(guó)指出：“除了天文學(xué)領(lǐng)域，月壤對(duì)于微生物領(lǐng)域、資源領(lǐng)域等也有重大意義。對(duì)于前者而言，建立永久月球基地是未來(lái)行星探測(cè)的重要發(fā)展方向之一。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究微生物在月表的適宜性、月壤是否適合微生物生長(zhǎng)和繁衍，是否適合農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)都是繞不開(kāi)的問(wèn)題;而在月球資源方面，這次采樣得到的是鈦鐵含量最高的月壤物質(zhì)，其中氦-3的含量也會(huì)更高，我們期待這次采樣分析能對(duì)氦-3的含量、分布特征和分布規(guī)律有更高層次的理解。同時(shí)，鈦鐵礦本身也是一種重要的月球資源，鈦、鐵提取的副產(chǎn)品是人類(lèi)生活必須的水，水電解后的氫和氧也是人類(lèi)在月球開(kāi)展科研活動(dòng)的必需資源。”