原標(biāo)題：松山湖材料實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)月壤物性研究 未來(lái)月球科研站建設(shè)或可“就地取材”
從嫦娥奔月的浪漫傳說(shuō)，到舉頭望月的家國(guó)情思，再到上九天攬?jiān)碌膲阎竞姥?，月亮始終在中國(guó)傳統(tǒng)文化中有著獨(dú)特意涵。2020年12月，嫦娥五號(hào)探測(cè)器圓滿完成月球樣品采樣返回任務(wù)，讓中國(guó)人得以與月亮“零距離”接觸。凝聚了無(wú)數(shù)航天人心血與智慧的珍貴月壤樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價(jià)值，一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。
作為廣東省首批啟動(dòng)建設(shè)的省實(shí)驗(yàn)室之一，不久前，東莞松山湖材料實(shí)驗(yàn)室接收首批約0.85克月壤，接下來(lái)將開(kāi)展一系列科學(xué)研究，未來(lái)為認(rèn)識(shí)月球與地球、月球原位資源開(kāi)發(fā)利用及逐步實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期載人地外生存等提供重要科學(xué)依據(jù)。
為載人登月提供技術(shù)驗(yàn)證與支持
今年7月12日，國(guó)家航天局探月與航天工程中心在北京舉行了第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，共計(jì)13家單位獲得17.4764克月壤樣品，標(biāo)志著嫦娥5號(hào)首批月壤樣品科學(xué)研究工作正式啟動(dòng)。其中，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)科學(xué)院極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任汪衛(wèi)華院士代表中國(guó)空間技術(shù)研究院領(lǐng)取了月球樣品使用證書，共獲得約8克樣品。作為重要合作單位，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在本次研究中承擔(dān)了關(guān)鍵任務(wù)。日前，研究團(tuán)隊(duì)正圍繞首批0.85克月壤樣本，開(kāi)展一系列月壤物性及綜合利用研究。
“松山湖材料實(shí)驗(yàn)室有先進(jìn)的材料結(jié)構(gòu)、成分測(cè)試平臺(tái)，有著一批物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的資深專家和優(yōu)秀青年科學(xué)家等一流人才，利用實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和能力可以研究月壤的微觀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定機(jī)制等，同時(shí)還可以研究月壤在‘納米—分子—原子’尺度下的理化性質(zhì)，利用中子散射、同步輻射等技術(shù)研究月壤主要組成元素的電子精細(xì)結(jié)構(gòu)等?！蓖粜l(wèi)華介紹。
2019年底，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室還與錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合成立太空材料科學(xué)與應(yīng)用研究中心，圍繞多個(gè)相關(guān)課題展開(kāi)研究。目前，空間材料團(tuán)隊(duì)擁有成熟的相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)積累，與研究月壤這一方向更為契合。
未來(lái)一年時(shí)間內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)將從材料角度研究認(rèn)識(shí)月球地質(zhì)、環(huán)境的歷史和演化，并在月壤物性研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展月球水冰資源收集利用、氧氣制備、金屬提煉、地外人工光合成技術(shù)，以及月壤3D打印等一系列技術(shù)研究，為我國(guó)載人登月及月球科研站建設(shè)提供技術(shù)驗(yàn)證與支持。
通過(guò)月壤研究更好地認(rèn)識(shí)地球
“我們一直生活在地球上，大部分情況下都會(huì)見(jiàn)到月亮，它看著離我們很遙遠(yuǎn)，但從科研角度上看，它與地球擁有同等重要地位，地球、月球?qū)φ麄€(gè)太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，彼此是最親密的、最近的鄰居。”材料實(shí)驗(yàn)室空間材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張博研究員說(shuō)道。
地球是如何形成的？地球曾經(jīng)發(fā)生過(guò)什么？為什么如今地球擁有這樣的環(huán)境？張博表示，地球的形成過(guò)程，與月球是相關(guān)的，在月壤研究中獲得的線索，將幫助人們更好地認(rèn)識(shí)地球。
近日，張博帶領(lǐng)空間材料團(tuán)隊(duì)對(duì)這珍貴的0.85克月壤開(kāi)展研究，試圖通過(guò)光學(xué)顯微鏡、CT掃描等測(cè)試方法，進(jìn)一步揭開(kāi)月壤在結(jié)構(gòu)、形貌等方面的神秘面紗。
“從阿波羅號(hào)取得的月壤研究成果來(lái)看，月壤中含有十多種與地球上相同的氧化物，但它們的形成歷史不一樣。在地球上存在十幾億年，和在月球存在十幾億年，是截然不同的條件，生成的結(jié)果也會(huì)有所不同，這是很有意思的地方。”張博表示，經(jīng)過(guò)風(fēng)化、撞擊、腐蝕等，地球土壤與月壤的形狀結(jié)構(gòu)均會(huì)有所改變。據(jù)了解，過(guò)去美蘇兩國(guó)取得的月球樣本，形成年齡在32億—46億年，人類正是通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，才建立起月球46億年左右的演化歷史。而與美蘇不同的是，此次嫦娥五號(hào)選擇的著陸點(diǎn)是月球一處相對(duì)年輕的區(qū)域，形成年齡大概在10億—20億年之間。
張博表示，此次中國(guó)研究的是相對(duì)年輕的月壤樣本，這既能驗(yàn)證過(guò)往科學(xué)界提出的假設(shè)，也將完善現(xiàn)有的模型，比如月球形成年代的計(jì)算等。同時(shí)，往后的科學(xué)家們可以利用這些原始數(shù)據(jù)，繼續(xù)從不同維度來(lái)分析月球，解讀歷史。
研究月壤3D打印儲(chǔ)備登月技術(shù)基礎(chǔ)
“由于從地球運(yùn)送資源至月球本高昂，想實(shí)現(xiàn)未來(lái)在月球開(kāi)展研究和建設(shè)，有必要在月球上‘就地取材’，利用3D打印是一個(gè)潛在的好方法。”張博指出，目前團(tuán)隊(duì)正圍繞這一計(jì)劃開(kāi)展研究，以期實(shí)現(xiàn)未來(lái)在月球上建造出與地球相似的環(huán)境和設(shè)施。
當(dāng)前，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室試圖研究月壤熔化凝固行為，發(fā)展月壤3D打印等原位資源利用技術(shù)。研究月壤的組成、顆粒徑級(jí)配等材料特征，發(fā)展月壤3D打印等原位資源利用技術(shù)，可以為今后人類居住月球儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)希望按照月球土壤的組成成分和顆粒大小，加工成模擬月壤，為未來(lái)打印建造月球定居點(diǎn)的磚塊提供驗(yàn)證。為此，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室還計(jì)劃通過(guò)自主研制及采購(gòu)相關(guān)配件的方式，制作能以模擬月壤為原材料的3D打印機(jī)。
“太空環(huán)境與地球環(huán)境截然不同，月球上可能面臨失重、無(wú)氧、無(wú)水且擁有輻射的特殊環(huán)境，研制的材料性能表現(xiàn)如何，是團(tuán)隊(duì)研究過(guò)程中需要重點(diǎn)考量的方面?！睆埐┍硎?，這些也是團(tuán)隊(duì)在研制3D打印設(shè)備時(shí)需要克服的基本障礙，相關(guān)參數(shù)方案均需要重新構(gòu)建。“東莞和深圳在3D打印方面具備較強(qiáng)實(shí)力，這些相關(guān)產(chǎn)業(yè)的提升、創(chuàng)新，對(duì)我們研究會(huì)有幫助，有助于優(yōu)化我們的打印設(shè)計(jì)方案?！睆埐┱f(shuō)。目前，粵港澳大灣區(qū)范圍內(nèi)有部分公司正在參與月壤3D打印技術(shù)的研制和裝備設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室研制設(shè)備所需的零件、設(shè)備采購(gòu)將來(lái)自這些公司。張博表示，大灣區(qū)雖然缺乏專門針對(duì)該研究方向的實(shí)驗(yàn)室，但具備相對(duì)全面且強(qiáng)大的科創(chuàng)實(shí)力，隨著此項(xiàng)研究的開(kāi)展，將與區(qū)域產(chǎn)業(yè)很好結(jié)合。
張博表示，本次研究預(yù)計(jì)將通過(guò)嫦娥五號(hào)玻璃樣品中物相成分含量的精確測(cè)定，揭示月壤熔化和凝固規(guī)律、流變動(dòng)力學(xué)行為特性、3D打印的性能和工藝方案。