冰冷的月坑中,或许有可利用的水冰资源

华 凌

2020年01月21日09:17  来源:科技日报
 
原标题:冰冷的月坑中,或许有可利用的水冰资源

  月球,一直有着许多谜团有待解开。

  近日,在美国旧金山举行的美国地球物理联合会(AGU)秋季会议上,行星科学家对于月球两极永久阴影区内陨石坑中的化学物质提出了新的见解,以及利用这些化学物质所需要的基本条件。研究人员称,该研究可以帮助科学家了解这些化学物质能否成为未来登月任务的潜在资源。

  这些化学物质是如何在这些陨石坑中保存下来的?我们是否真的可以对其加以利用?这些潜在的可利用资源对人类探月来说意味着什么?带着相关问题,科技日报记者采访了中国科学院国家天文台研究员郑永春。

  常年处于黑暗,陨坑如“冰箱”

  “由于月球独特的自转倾斜角度,使得太阳光直接照射在其赤道位置,这让月球极地区域的许多陨石坑受到‘冷落’,有些甚至常年不见阳光,被永久地吞没在寒冷的黑暗中,就像一个个‘冰箱’,他们被称为冷阱(cold traps)。”郑永春介绍说。

  月球极区的这些冷阱,是几十亿年来被彗星和小行星撞击后留下的“伤疤”。彗星的撞击可能给月球留下水蒸气、二氧化碳和甲烷等物质。由于月球没有类似地球的大气层保护,这些化学物质中的大多数会在阳光下分解并逃逸到太空中。但是,如果这些化学物质最终进入月球极区的冷阱中,它们就可能会摆脱蒸发的命运,被冻结数十亿年。

  因此科学家推测,在处于极端低温条件下的永久阴影区,存在有机物、水、冰等化学物质,但目前都是采用遥感手段得到的探测结果,并没有实地采样,所以这些化学物质到底是不是存在、含量有多高,还有待进一步证实。

  十多年来,美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道器(LRO)一直在测量来自太空中恒星和氢气的微弱紫外线反射到月球冷阱中的信号。2019年科学家们研究了名为福斯蒂尼(Faustini)陨石坑的反射数据,发现反射的突然变化信号与冰有关,也认为这可能表明了有二氧化碳的存在。

  利用LRO收集到的相关数据,考虑到分子在到达冷阱前被分解的可能性,研究人员建立了一种模型,模拟研究了究竟有多少二氧化碳会进入到冷阱中。其研究结果表明有15%—20%的二氧化碳最终会落入冷阱中,这比此前预测数据要高,考虑到相对较小的冷阱面积,这一结果令人感到吃惊。

  开发利用难度较大

  有专家表示,了解这些化学物质和冷阱的具体信息,有可能将其作为一种潜在资源加以利用。如果人类在月球上定居,就可以把他们当作水源或燃料。然而,月球与地球不同,长期暴露在太空辐射下,月球上的资源是否还有利用的可能性?

  郑永春说:“月球上的化学物质保存在深坑中,因为那里温度低,并不会挥发。太空辐射会分解蛋白质、氨基酸等复杂有机物,但对干冰、水冰等化学物质并无影响,因而有可能长期地保存下来。他们是人类在月球上长期生存所需要开发利用的重要资源,毕竟把同类资源从地球上运输过去成本太高昂了。”

  就目前人类科技水平而言,是否真的可以开发利用月球上的资源?郑永春表示,月球极区不像其他地方,不仅存在极昼和极夜现象,且阳光不会垂直照射,温度虽然很低,但昼夜变化相对平和,有利于探测仪器长时间稳定工作。而月球极地的冷阱处于极端低温且永远处于阴影区,所以探测仪器极难进行资源采集的工作,很多技术难题有待攻克。另外,由于月球水冰资源主要存在于月壤之中,并且存在形式复杂(混合水、束缚水、深埋冰块等),具有时变性、分层性、跨区域性等不确定性,对其开发和利用提出巨大挑战。

  郑永春进一步介绍说,月球极区资源开发利用主要包括对月球极区水冰等挥发物资源的识别、含挥发物月壤的采集,以及挥发物的加热提取、冷凝收集、分解转换等多个技术环节。同时,月球极端环境下水冰和挥发物资源的开发利用面临很多工程技术问题,如何结合月球极区极端低温、缺乏光照的环境特点,寻求合理的技术途径和方法,将是对月球极区水冰资源开发利用的关键。

  水冰资源作为深空探索活动,特别是载人探索活动的重要物质和能源,其应用贯穿于推进能源和再生生命保障系统的主要分系统和关键技术环节,其重要性不言而喻。郑永春强调,蕴藏水冰等物质资源最为丰富的月球极区将是世界各国月球基地建设、长期运行的首选区域,也是未来载人登月活动的重要目标。因此,月球极区资源开发利用,特别是水冰资源,将成为近期探月活动的研究热点。

(责编:赵竹青、吕骞)