土壤学报
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月球土壤,将是未来核聚变的潜在原材料,嫦娥

我国的嫦娥五号探测器于2020年11月24日,在海南文昌发射场,由长征五号遥五运载火箭成功发射,实现了区域软着陆以及采集月壤样本返回的既定目标,在2020年12月份成功返回地球,标志着我国嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走的目标如期顺利完成。


嫦娥五号探测器携带着光学相机、矿物光谱阐发仪、采样剖面测温仪、月壤气体分析仪等仪器设备,可以实时对着陆区域的月球环境以及月壤基本特性进行测试分析,除此之外还搭载着岩芯钻探机和机器取样器等设备,在着陆后没多久就“马不停蹄”地开展了月球地表钻探工作,一共采集了1.73公斤的月壤样本。此后,自动完成了样本封装、着陆器上升、与轨道器对接、样本转移等工序,成功将这些月球样本带回地球。


按照计划,我国将对采集回来的月壤样本进行长期、系统地实验研究,主要包括月壤的结构和特性、物质组成、形成演化过程分析、宇宙辐射和太阳风对月球的作用等等,进而深入研究月球的形成原因以及演化历史。在2021年的7月份,我国一共向13家研究机构发发了第一批31个月壤样本,总重量为17.47克。


在对月壤进行分析和研究的诸多领域中,其中有一项尤其受到关注,那就是将月球土壤作为核聚变动力的潜在来源。众所周知,目前人类利用核能的方式,主要还是以核裂变为主,虽然通过核裂变产生的能量也是一种清洁能源,但由此而产生的大量核废料,仍然是一种潜在的长期污染因素,而且在操作不当、地质运动等突发事件发生时,核电站还极有可能泄露甚至爆炸,严重威胁人类以及生态系统安全。


所以,现在一些国家包括我国在内,都在大力研究利用核聚变来发电的技术,也就是说“人造太阳”,这是目前人类能够利用核能最为清洁的一种方式。在研发过程中,目前大多都选择氘和氚这两种氢的同位素作为“原材料”,在地球特别是海水中的含量十分丰富。不过,与氦3相比,氘和氚的能源偿还比例相差得太多,而且氦3与氘进行聚变反应时不会产生辐射,所以目前氦3已经成为世界公认的非常高效、清洁和安全的核聚变材料。


但是,地球上的氦3含量非常少,总量还不到1吨,可供人类开采的甚至不足500公斤。而月球上的氦3就相对丰富得多,从采集回来的月壤成分比例可以推测出,月球上的氦3,仅能够开采和利用的就达到100万吨之多,按照能量转化比率看,100吨的氦3就能满足全球1年的能源需求,也就说月球上的氦3如果能够有效利用,地球上的能源需求至少可以满足1万年,能源危机就此完全可以化解了。


只不过,核聚变的研究,目前还处于探索和起步阶段,还有很多的瓶颈问题需要破解,一旦实现突破,那么月球将成为地球能源的“后花园”,在上面开采氦3资源,也估计会成为未来几十年内的一场太空资源争夺的前线。

北京地质研究所获得了50毫克的月壤样本,目前正在使用专门设计的设备,来确定月壤样本中氦的含量。在研究的过程中,盛放样本的容器会不断给样本进行加热,温度直达1000摄氏度,据此来探测分析月壤中氦3的含量以及对氦3进行提取的一些环境参数,比如什么温度下能够高效地提取氦3。


此外,该研究所还以这些月壤为实验对象,测试分析其中放射性铀的含量水平。正如北京地质研究所的项目负责人说的那样,该项研究,不仅对于未来在月球上开发这些潜在的核能资源具有重大价值,而且对于研究月球本身以及与地球之间的关系,也具有重要的现实意义。

中国科学院地质与地球物理研究所也获取了一些月壤样本,该研究机构重点研究的方向是样品的地球化学同位素特征,目前也正处在紧张有序的研究进程中。通过该项研究,可以确定采集区域土壤的具体历史信息,也就是测定它的年龄,与此同时,还可能提供出这片区域最近一次发生火山活动的新信息,从而为月球的形成和演化提供最新的见解。