冰冷的月坑中，或許有可利用的水冰資源

天聞?lì)l道

本報(bào)記者 華 凌

月球，一直有著許多謎團(tuán)有待解開(kāi)。

在美國(guó)舊金山舉行的美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)（AGU）秋季會(huì)議上，行星科學(xué)家對(duì)于月球兩極永久陰影區(qū)內(nèi)隕石坑中的化學(xué)物質(zhì)提出了新的見(jiàn)解，以及利用這些化學(xué)物質(zhì)所需要的基本條件。研究人員稱(chēng)，該研究可以幫助科學(xué)家了解這些化學(xué)物質(zhì)能否成為未來(lái)登月任務(wù)的潛在資源。

這些化學(xué)物質(zhì)是如何在這些隕石坑中保存下來(lái)的？我們是否真的可以對(duì)其加以利用？這些潛在的可利用資源對(duì)人類(lèi)探月來(lái)說(shuō)意味著什么？帶著相關(guān)問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春。

常年處于黑暗，隕坑如“冰箱”

“由于月球獨(dú)特的自轉(zhuǎn)傾斜角度，使得太陽(yáng)光直接照射在其赤道位置，這讓月球極地區(qū)域的許多隕石坑受到‘冷落’，有些甚至常年不見(jiàn)陽(yáng)光，被永久地吞沒(méi)在寒冷的黑暗中，就像一個(gè)個(gè)‘冰箱’，他們被稱(chēng)為冷阱（cold traps）。”鄭永春介紹說(shuō)。

月球極區(qū)的這些冷阱，是幾十億年來(lái)被彗星和小行星撞擊后留下的“傷疤”。彗星的撞擊可能給月球留下水蒸氣、二氧化碳和甲烷等物質(zhì)。由于月球沒(méi)有類(lèi)似地球的大氣層保護(hù)，這些化學(xué)物質(zhì)中的大多數(shù)會(huì)在陽(yáng)光下分解并逃逸到太空中。但是，如果這些化學(xué)物質(zhì)最終進(jìn)入月球極區(qū)的冷阱中，它們就可能會(huì)擺脫蒸發(fā)的命運(yùn)，被凍結(jié)數(shù)十億年。

因此科學(xué)家推測(cè)，在處于極端低溫條件下的永久陰影區(qū)，存在有機(jī)物、水、冰等化學(xué)物質(zhì)，但目前都是采用遙感手段得到的探測(cè)結(jié)果，并沒(méi)有實(shí)地采樣，所以這些化學(xué)物質(zhì)到底是不是存在、含量有多高，還有待進(jìn)一步證實(shí)。

十多年來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的月球勘測(cè)軌道器（LRO）一直在測(cè)量來(lái)自太空中恒星和氫氣的微弱紫外線(xiàn)反射到月球冷阱中的信號(hào)。2019年科學(xué)家們研究了名為福斯蒂尼（Faustini）隕石坑的反射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)反射的突然變化信號(hào)與冰有關(guān)，也認(rèn)為這可能表明了有二氧化碳的存在。

利用LRO收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮到分子在到達(dá)冷阱前被分解的可能性，研究人員建立了一種模型，模擬研究了究竟有多少二氧化碳會(huì)進(jìn)入到冷阱中。其研究結(jié)果表明有15%—20%的二氧化碳最終會(huì)落入冷阱中，這比此前預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)要高，考慮到相對(duì)較小的冷阱面積，這一結(jié)果令人感到吃驚。

開(kāi)發(fā)利用難度較大

有專(zhuān)家表示，了解這些化學(xué)物質(zhì)和冷阱的具體信息，有可能將其作為一種潛在資源加以利用。如果人類(lèi)在月球上定居，就可以把他們當(dāng)作水源或燃料。然而，月球與地球不同，長(zhǎng)期暴露在太空輻射下，月球上的資源是否還有利用的可能性？

鄭永春說(shuō)：“月球上的化學(xué)物質(zhì)保存在深坑中，因?yàn)槟抢餃囟鹊停⒉粫?huì)揮發(fā)。太空輻射會(huì)分解蛋白質(zhì)、氨基酸等復(fù)雜有機(jī)物，但對(duì)干冰、水冰等化學(xué)物質(zhì)并無(wú)影響，因而有可能長(zhǎng)期地保存下來(lái)。他們是人類(lèi)在月球上長(zhǎng)期生存所需要開(kāi)發(fā)利用的重要資源，畢竟把同類(lèi)資源從地球上運(yùn)輸過(guò)去成本太高昂了。”

就目前人類(lèi)科技水平而言，是否真的可以開(kāi)發(fā)利用月球上的資源？鄭永春表示，月球極區(qū)不像其他地方，不僅存在極晝和極夜現(xiàn)象，且陽(yáng)光不會(huì)垂直照射，溫度雖然很低，但晝夜變化相對(duì)平和，有利于探測(cè)儀器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。而月球極地的冷阱處于極端低溫且永遠(yuǎn)處于陰影區(qū)，所以探測(cè)儀器極難進(jìn)行資源采集的工作，很多技術(shù)難題有待攻克。另外，由于月球水冰資源主要存在于月壤之中，并且存在形式復(fù)雜（混合水、束縛水、深埋冰塊等），具有時(shí)變性、分層性、跨區(qū)域性等不確定性，對(duì)其開(kāi)發(fā)和利用提出巨大挑戰(zhàn)。

鄭永春進(jìn)一步介紹說(shuō)，月球極區(qū)資源開(kāi)發(fā)利用主要包括對(duì)月球極區(qū)水冰等揮發(fā)物資源的識(shí)別、含揮發(fā)物月壤的采集，以及揮發(fā)物的加熱提取、冷凝收集、分解轉(zhuǎn)換等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。同時(shí)，月球極端環(huán)境下水冰和揮發(fā)物資源的開(kāi)發(fā)利用面臨很多工程技術(shù)問(wèn)題，如何結(jié)合月球極區(qū)極端低溫、缺乏光照的環(huán)境特點(diǎn)，尋求合理的技術(shù)途徑和方法，將是對(duì)月球極區(qū)水冰資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。

水冰資源作為深空探索活動(dòng)，特別是載人探索活動(dòng)的重要物質(zhì)和能源，其應(yīng)用貫穿于推進(jìn)能源和再生生命保障系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。鄭永春強(qiáng)調(diào)，蘊(yùn)藏水冰等物質(zhì)資源最為豐富的月球極區(qū)將是世界各國(guó)月球基地建設(shè)、長(zhǎng)期運(yùn)行的首選區(qū)域，也是未來(lái)載人登月活動(dòng)的重要目標(biāo)。因此，月球極區(qū)資源開(kāi)發(fā)利用，特別是水冰資源，將成為近期探月活動(dòng)的研究熱點(diǎn)。