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松山湖材料实验室启动月壤物性研究

未来月球科研站建设或可“就地取材”

2021-10-06 07:29 来源:南方日报 陈启亮 张莎

  从嫦娥奔月的浪漫传说,到举头望月的家国情思,再到上九天揽月的壮志豪言,月亮始终在必威体育投注传统文化中有着独特意涵。2020年12月,嫦娥五号探测器圆满完成月球样品采样返回任务,让必威体育投注人得以与月亮“零距离”接触。凝聚了无数航天人心血与智慧的珍贵月壤样品该怎么用、在哪些领域使用才能更大地发挥其价值,一直是人们关注的问题。

  作为广东省首批启动建设的省实验室之一,不久前,东莞松山湖材料实验室接收首批约0.85克月壤,接下来将开展一系列科学研究,未来为认识月球与地球、月球原位资源开发利用及逐步实现长期载人地外生存等提供重要科学依据。

  为载人登月提供技术验证与支持

必威体育投注  今年7月12日,国家航天局探月与航天工程中心在北京举行了第一批月球科研样品发放仪式,共计13家单位获得17.4764克月壤样品,标志着嫦娥5号首批月壤样品科学研究工作正式启动。其中,松山湖材料实验室主任、必威体育投注科学院极端条件物理重点实验室主任汪卫华院士代表必威体育投注空间技术研究院领取了月球样品使用证书,共获得约8克样品。作为重要合作单位,松山湖材料实验室在本次研究中承担了关键任务。日前,研究团队正围绕首批0.85克月壤样本,开展一系列月壤物性及综合利用研究。

  “松山湖材料实验室有先进的材料结构、成分测试平台,有着一批物质科学领域的资深专家和优秀青年科学家等一流人才,利用实验室平台和能力可以研究月壤的微观结构、稳定机制等,同时还可以研究月壤在‘纳米—分子—原子’尺度下的理化性质,利用中子散射、同步辐射等技术研究月壤主要组成元素的电子精细结构等。”汪卫华介绍。

  2019年底,松山湖材料实验室还与钱学森实验室联合成立太空材料科学与应用研究中心,围绕多个相关课题展开研究。目前,空间材料团队拥有成熟的相关领域技术积累,与研究月壤这一方向更为契合。

  未来一年时间内,研究团队将从材料角度研究认识月球地质、环境的历史和演化,并在月壤物性研究基础上,开展月球水冰资源收集利用、氧气制备、金属提炼、地外人工光合成技术,以及月壤3D打印等一系列技术研究,为我国载人登月及月球科研站建设提供技术验证与支持。

  通过月壤研究更好地认识地球

必威体育投注  “我们一直生活在地球上,大部分情况下都会见到月亮,它看着离我们很遥远,但从科研角度上看,它与地球拥有同等重要地位,地球、月球对整个太阳系来说,彼此是最亲密的、最近的邻居。”材料实验室空间材料团队负责人张博研究员说道。

必威体育投注  地球是如何形成的?地球曾经发生过什么?为什么如今地球拥有这样的环境?张博表示,地球的形成过程,与月球是相关的,在月壤研究中获得的线索,将帮助人们更好地认识地球。

  近日,张博带领空间材料团队对这珍贵的0.85克月壤开展研究,试图通过光学显微镜、CT扫描等测试方法,进一步揭开月壤在结构、形貌等方面的神秘面纱。

  “从阿波罗号取得的月壤研究成果来看,月壤中含有十多种与地球上相同的氧化物,但它们的形成历史不一样。在地球上存在十几亿年,和在月球存在十几亿年,是截然不同的条件,生成的结果也会有所不同,这是很有意思的地方。”张博表示,经过风化、撞击、腐蚀等,地球土壤与月壤的形状结构均会有所改变。据了解,过去美苏两国取得的月球样本,形成年龄在32亿—46亿年,人类正是通过对其进行分析,才建立起月球46亿年左右的演化历史。而与美苏不同的是,此次嫦娥五号选择的着陆点是月球一处相对年轻的区域,形成年龄大概在10亿—20亿年之间。

必威体育投注  张博表示,此次必威体育投注研究的是相对年轻的月壤样本,这既能验证过往科学界提出的假设,也将完善现有的模型,比如月球形成年代的计算等。同时,往后的科学家们可以利用这些原始数据,继续从不同维度来分析月球,解读历史。

  研究月壤3D打印储备登月技术基础

  “由于从地球运送资源至月球本高昂,想实现未来在月球开展研究和建设,有必要在月球上‘就地取材’,利用3D打印是一个潜在的好方法。”张博指出,目前团队正围绕这一计划开展研究,以期实现未来在月球上建造出与地球相似的环境和设施。

  当前,松山湖材料实验室试图研究月壤熔化凝固行为,发展月壤3D打印等原位资源利用技术。研究月壤的组成、颗粒径级配等材料特征,发展月壤3D打印等原位资源利用技术,可以为今后人类居住月球储备技术基础。该实验希望按照月球土壤的组成成分和颗粒大小,加工成模拟月壤,为未来打印建造月球定居点的砖块提供验证。为此,松山湖材料实验室还计划通过自主研制及采购相关配件的方式,制作能以模拟月壤为原材料的3D打印机。

  “太空环境与地球环境截然不同,月球上可能面临失重、无氧、无水且拥有辐射的特殊环境,研制的材料性能表现如何,是团队研究过程中需要重点考量的方面。”张博表示,这些也是团队在研制3D打印设备时需要克服的基本障碍,相关参数方案均需要重新构建。“东莞和深圳在3D打印方面具备较强实力,这些相关产业的提升、创新,对我们研究会有帮助,有助于优化我们的打印设计方案。”张博说。目前,粤港澳大湾区范围内有部分公司正在参与月壤3D打印技术的研制和装备设计,实验室研制设备所需的零件、设备采购将来自这些公司。张博表示,大湾区虽然缺乏专门针对该研究方向的实验室,但具备相对全面且强大的科创实力,随着此项研究的开展,将与区域产业很好结合。

  张博表示,本次研究预计将通过嫦娥五号玻璃样品中物相成分含量的精确测定,揭示月壤熔化和凝固规律、流变动力学行为特性、3D打印的性能和工艺方案。

  ●陈启亮 张莎

编辑:何柏梅
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