檢測樣本氦-3含量 人類對月球核能元素認識有限

7月30日，據(jù)中國探月與深空探測網(wǎng)報道，探月工程三期地面應用系統(tǒng)目前已完成第二批月球科研樣品的處理，嫦娥五號任務第二批月球科研樣品信息上線發(fā)布。

就在不久前，第一批1731克的月球科研樣品成為我國科學界的“香餑餑”。

7月12日，國家航天局探月與航天工程中心在北京國家天文臺舉行嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，13家科研機構(gòu)成為首批開展月球科研樣品研究的單位。其中，中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院(以下簡稱核地研院)得到了50毫克月球樣品。

7月16日，核地研院開箱啟用月球樣品，揭牌成立核地研院月球樣品分析檢測實驗室，宣布正式啟動嫦娥五號月球樣品科研工作。

月球，這片古人眼中的極陰之地，究竟蘊含著何種能量?核地研院的科研人員準備用什么方法探尋這些能量?月球樣品究竟能揭示月球哪些奧秘?帶著這些問題，科技日報記者專訪了核地研院。

缺乏大規(guī)模試驗 人類對月球核能元素認識有限

對看過動畫片《機動戰(zhàn)士高達》的人來說，氦-3并不是什么神秘的名詞。

“月球基地以氦-3作為能源”幾乎是科幻作品設定的“標配”。作為核聚變最理想的燃料之一，氦-3是許多科幻作品中的常客。它在地球上的含量非常稀少，在月球上卻十分富足。

據(jù)探月工程首任首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠估算，全世界一年的總發(fā)電量只需消耗約100噸氦-3，而月壤中的氦-3含量可滿足長達萬年的地球能源需求。開發(fā)月壤中所蘊含的豐富氦-3，對人類未來能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠的意義。

核地研院院長李子穎告訴記者，目前科學家對包括月球氦-3在內(nèi)的核能元素的認識，大多基于非常有限的月球取樣以及天文物理和天體遙感探測數(shù)據(jù)，資源評價精準程度遠遠不夠。現(xiàn)有的月壤氦-3提取技術(shù)也僅僅是建立在少量月球樣品基礎上的實驗室數(shù)據(jù)，缺乏大規(guī)模試驗和系統(tǒng)性的驗證。

“解剖”月壤樣品 為未來月球氦-3利用打前站

核地研院獲得的50毫克粉末樣品被置于該院實驗大樓一樓一間實驗室的手套箱內(nèi)。該手套箱與用于核酸檢測的移動方艙手套設計原理相似。不同的是，該手套箱內(nèi)充滿氮氣，科研人員穿上白大褂，將手伸進手套箱，就能利用高倍光學顯微鏡進行礦物學觀察和分類，然后再分別利用惰性氣體質(zhì)譜儀、電子探針、高精度激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等設備，相繼開展氦-3含量、礦物組成、主微量元素含量等的測定，為進一步的科學研究提供原始數(shù)據(jù)。

核地研院月球樣品分析檢測實驗室主任郭冬發(fā)告訴記者，核地研院想要從事上述研究離不開一件殺手锏——國內(nèi)為數(shù)不多的Helix SFT稀有氣體質(zhì)譜儀。該質(zhì)譜儀分叉管道設計，專門測試氦同位素，具有極高的靈敏度和分辨率，檢測器配備法拉第杯和極低噪音電子倍增器，可實現(xiàn)對氦-3和氦-4的同時檢測，顯著提高測試準確度。與此同時，圍繞此質(zhì)譜儀，實驗室還自主設計研發(fā)了雙真空鉭片加熱爐和緊湊的氣體純化系統(tǒng)，并采用相關(guān)軟件聯(lián)合控制，實現(xiàn)了對樣品中氦同位素的全流程自動化測試，顯著提高了測試精度。這些條件為月壤樣品中氦-3含量的準確測試提供了重要保障。

核地研院月球樣品使用責任人黃志新研究員認為，通過研究，有望查明制約氦-3等聚變元素核素吸附能力的月壤成熟度等關(guān)鍵科學問題，初步闡明嫦娥五號月壤樣品中氦-3的富集特征及機制;厘定嫦娥五號月壤樣品中氦-3的逸出特性和最佳提取溫度;查明月壤樣品的主、微量元素含量特征及對氦-3含量的制約;為估算月球氦-3資源量和探索月球氦-3利用可行性提供科學數(shù)據(jù)支撐。

同時，黃志新也表示，月球樣品具有特殊性，主要風險為微細顆粒操作失誤(墜落、灑落等)和污染風險。為防止操作失誤，操作人員必須經(jīng)過模擬操作訓練，并獲得操作許可證后，再開始正式處理月球樣品;為控制污染，研究人員在使用樣品過程中，需要盡可能避免使用易污染的材料和試劑，同時建立預防未知風險因素預警機制。

樣本增加新“成員” 有望解開更多月球奧秘

月球的年代學研究既是一個復雜的系統(tǒng)性工程，又是一個在行星科學中極為重要的基礎性研究工作，對于揭示月球的形成及演化規(guī)律具有重要意義。

基于現(xiàn)有的從月球返回樣品的年代學研究工作，科學家構(gòu)建了月球地質(zhì)年代的基本框架，但由于樣品分布范圍有限，并不能代表整個月球的情況，且留下了30—10億年間無月球樣品的空白。

嫦娥五號采樣返回意味著具有明確采樣位置的月球樣品又增加了新的“成員”，并且此次重返月球有可能采集到更多來自不同地質(zhì)背景、形成于不同歷史時期的月球樣品，對完整還原月球歷史，真正全面認識月球，認識地月系統(tǒng)，甚至認識整個太陽系的存在有著重要的意義。

值得一提的是，嫦娥五號采樣位置位于風暴洋北部呂姆克山附近，有可能采集到克里普巖(KREEP)，該巖通常以富集鉀(K)、稀土元素(REE)、磷(P)、釷(Th)、鈾(U)元素為特征，這為研究鈾釷分布和富集特征以及KREEP巖的形成機制等這些目前未能解決的關(guān)鍵問題提供了有利條件。

從長遠看，雖然月球的地質(zhì)作用沒有地球的那么復雜和頻繁，但充分認識月球的地質(zhì)作用過程和月表特征，包括樣品形成時的環(huán)境和條件，對認識月球的地質(zhì)歷史和演化仍舊非常重要，也可為月球和地球的比較研究及兩者的成因關(guān)系提供依據(jù)，甚至對認識地月系統(tǒng)乃至整個太陽系有著重要的意義。

月球是一個巨大的繞地軌道“空間站”，一個地球引力之外的天然衛(wèi)星，在人類向宇宙開拓時，可利用月球的原材料為星際探索提供助力。開展核能裂變和聚變元素資源評價研究可為未來地球應用和星際開拓提供參考和支撐。(孫明源陳 瑜)