歐陽自遠:水冰不太可能是月球基地可依賴的水資源

張巧玲

2009年11月26日08:13  來源:《科學時報》

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  “‘在月球上發現水為建立人類月球基地打下了堅實的基礎’,下這個結論還為時過早,這只是一個科學問題,月球水的開發應用尚待研究!”11月24日,《科學時報》記者來到中國科學院院士歐陽自遠的辦公室時,他正在做一道算術題,其計算結果是:據粗略估算,水冰在永久陰影區月壤中的含量小於0.1%。

  “無論是從經濟上還是技術上看,在月球上即使發現水也不太可能是月球基地可以依賴的水資源。”歐陽自遠的一席話給正在升溫的“月球發現水就可以建設月球基地”這一熱點新聞澆了一盆涼水。

  找到水冰只是個科學問題

  據報道,11月13日,美國宇航局(NASA)的科學家在記者招待會上宣布,一段廢棄的火箭助推器在上月撞到月球寒冷而黑暗的環形山后激起了塵埃柱,他們在其中發現了水的存在。月球環形山觀測與遙感衛星(LCROSS)項目首席科學家Anthony Colaprete在加利福尼亞州芒廷維尤市NASA埃姆斯研究中心表示,初步分析結果表明,這些塵埃中都存在水的蹤跡。

  不少人因此認為,月球上發現水意味著人類在月球上建立永久性基地的設想又前進了一步,前景十分樂觀。

  “這些水能否被利用還有待研究。”歐陽自遠給出了他的計算結果:美國的LCROSS撞擊南極凱布斯坑的永久陰影區,形成了一個直徑20米,可能深3米的小撞擊坑,在撞擊后激起的塵埃柱中發現大約100千克的水。粗略估算,水冰在永久陰影區月壤中的含量小於0.1%。撞擊坑中的永久陰影區,溫度大約為-240℃,深度達2∼3千米,永久性漆黑,沒有任何能源,大型機械不能到達,人員也難以到達工作場地。如果要利用那裡的水資源,要將大量的月壤堆積起來加熱,使水冰形成水蒸氣,收集水蒸氣后冷卻成蒸餾水,再運送到月球基地。如果要長期利用這些水資源,其開採、運輸之艱難,以及開採月壤量之巨大而成效甚微可想而知。

  據悉,長期以來,科學家認為,月球上沒有水,當然也沒有水冰。幾十年來,各種手段探測月球的結果似乎也証實了這一點。月球存在水冰的設想最早是由美國科學家Waton等於1961年提出來的。他們認為,月球極區的一些撞擊坑底部可能處於太陽照射不到的永久陰影區,表層和次表層溫度將常年維持在40K(-233℃)左右。原始月球脫氣作用產生的水、彗星和小行星撞擊月球攜帶至月表的水在這樣的低溫下可能會以水冰的形式在地質歷史中保存下來。他們推測月球兩極撞擊坑內可能存在大量的水冰,形態為冰塵混合物,即“臟冰”。

  在月球水冰設想提出后的30余年間,許多學者進行了多方面的探索,但無論是Apollo登月計劃,還是月球樣品和月球隕石的研究,都沒有找到月球上存在水的証據。

  歐陽自遠介紹,如果証實月球極地存在水冰,這些水冰的可能性來源主要有三個:一是由彗星(含水量>70%,質量約為7×1013kg)或小天體帶入。當彗星撞擊月表並劇烈破碎時,碎塊濺落到撞擊坑內的永久陰影區與月壤混合﹔二是太陽風中的氫原子與月壤和月岩中的FeO發生還原反應:FeO+H2=Fe+H2O﹔三是月球深部釋放的岩漿水。而研究表明,上述這些水應以冰的形式儲存在月球兩極撞擊坑的永久陰影區。

  “LCROSS發現並証實月球上存在水冰,的確是人類月球探測工作的一大進步。”歐陽自遠說。

  不過,早在2006年,歐陽自遠在其主編的《月球科學概論》中就提出:“即使月球極地存在水冰,也不可能是月球基地可以依賴的水資源。”首先,水冰的含量低且存在於極地永久陰影區,陰影區終年黑暗、低溫,對開採儀器的性能要求非常高,人類很難直接利用﹔其次,月壤中水冰的含量極微,分布面積極廣,並與月壤混合,生產1噸水,需要開發數千公裡面積的月壤,水冰的收集和運輸不僅在技術上存在很大難度,而且也不是經濟的辦法。

  “從目前來看,在月球上發現水仍然只是一個科學問題,還無法上升到應用。”歐陽自遠說。

  事實上,美國科學家也認為,月球上的水是否足以支撐未來的宇航員——無論是飲用水還是火箭燃料——依然有待進一步的研究。

  需另辟蹊徑

  “是否在月球上發現水並不是建立月球基地的必要條件。”歐陽自遠說,無論是否在月球上發現水,人類都會在月球上建立基地。

  早在上世紀90年代初,美國前總統老布什就提出,今后10年要發展航天飛機和空間站,新世紀的到來我們要重返月球,建立月球基地。此后,美國前總統小布什又提出,要通過建立月球基地,從月球上載人登上火星。

  “當時並不能確認是否能在月球上找到水。”歐陽自遠說。

  另一方面,人類要在月球上建立基地,最需要解決的主要問題是,要建設能確保航天員安全居住和生命保障的條件和能源。

  “有了能源就能解決水的問題。”歐陽自遠認為,要解決月球基地用水的問題,還需另辟蹊徑,“或許可從月面廣泛分布的鈦鐵礦(FeTiO3)裡打打主意”。

  歐陽自遠告訴記者,月海玄武岩中的鈦鐵礦含量高達25%,分布面積達1000萬平方千米,在月壤中通過簡單的選礦程序可以富集鈦鐵礦精礦,鈦鐵礦不僅是鐵、鈦金屬和氧氣的主要來源,鈦鐵礦與氫反應所產生的水(FeTiO3+H2= Fe+TiO2+H2O)也將是未來月球基地獲取水資源的重要途徑之一。消耗1噸鈦鐵礦,同時需消耗0.013噸氫氣,可以生成0.12噸水、0.37噸鐵和0.52噸二氧化鈦。生產1噸水,大約隻需要9噸鈦鐵礦。

  “且此方法可以在月球基地附近直接生產。”歐陽自遠認為,月球上是否存在水冰,盡管是一個重要的科學問題,但對人類建立月球基地是無關緊要的。

  歐陽自遠同時表示:“LCROSS撞擊月球凱布斯坑找水的設計確實很精密,令人佩服,是一個亮點,但隻能說是美國的LRO月球探測衛星系統的一個組成部分。美國的LRO月球探測主衛星飛行高度隻有50公裡,相機的空間分辨率高達0.5∼1米,其真正的目的是為了選擇下次載人登月和建立月球基地地點的精細地形地貌。”

(責任編輯:魏艷)
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