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■新闻缘起

  澳大利亚古生物学家伯格—拉斯穆森已经在西澳大利亚发现已有10亿年历史的静海石,以前它被认为是月球上独有的矿石。拉斯穆森表示,他们在澳大利亚的6个地点发现这种矿石,也许它在地球上“很普遍”。

  探索月球似乎是一个经久不衰的话题。人类对月球的观测、探测与研究贯穿了整个人类的文明史。从1969年尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成为最先登陆月球的人类开始,人类探索月球的脚步不曾停歇。月球上蕴藏着极其丰富的矿物,地球上最常见的17种元素在月球上可谓比比皆是。在物质能源需求不断扩大的今天,人类不禁畅想:是否可以将月球发展成为我们的天然矿场?这一畅想能否实现?在探索过程中我们会遇到哪些困难?本期共享科学邀请中国科学院地球化学研究所副研究员李雄耀为读者解读月球矿石。

  ———— 月球矿岩 ————

  月球上的稀有金属储藏量比地球还多

  众所周知,月球存在很多珍稀矿藏,稀有金属的储藏量比地球还多。但具体分布着哪些矿源对大众来说还是一个空白点。李雄耀副研究员对这个问题做出了介绍:“在月球上存在丰富的钛铁矿,主要存在于月海玄武岩中,它是提取钛和二氧化钛的最主要矿物原料。还有一些挥发性的氦-3,它作为一种潜在能源,赋存在月壤中,具有很高的开采价值,我们可以从月壤中把它收集起来加以利用。”

  李雄耀副研究员还说:“相对地球上的矿物资源,我认为最为珍稀的还属克里普岩。”克里普岩是月球上的一种有特殊化学成分的棕黄色玻璃状岩石。现在普遍认为克里普岩是由一个在45亿年前撞击地球的火星似物体导致。这次撞击导致大量的物质流进了地球轨道上,然后形成了月球,大部分的物质在月球中溶化,然后形成了岩浆海洋。岩浆海开始结晶,橄榄石、辉石等矿产沉没,然后形成了月球的地幔。这时钙长石开始结晶,由于其密度低及浮动,钙长石的结晶慢慢地形成了一个斜长岩壳。这次的结晶也就形成了克里普岩。

  月球矿岩中的氦-3可作为核能原料

  在经济高速发展的今天,地球上很多不可再生资源在加速枯竭。如何协调资源与发展的平衡成为一大难题。那么月球上这些琳琅满目的矿岩能否为人类可持续发展提供帮助?

  首先我们不得不提的是,目前已被世界公认的高效、清洁、安全的核聚变发电燃料——“氦-3”。李雄耀副研究员表示说,人类可以从月球上的一些矿物里将氦-3收集起来,作为核能的原料。根据科学统计表明,10吨氦-3就能满足我国一年所有的能源需求,100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源。

  物以稀为贵,克里普岩作为月球上独有的一种珍稀岩石,为人们所关注。对此,李雄耀副研究员说:“月球上的克里普岩里富含了大量的钾、磷以及稀土元素,将来可能作为这些元素的矿床进行开采。其中稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。我国虽然拥有丰富的稀土矿产资源,但由于开采、出口力度大,稀土资源在不断减少。面对这一现实,我们设想今后或许能利用一下月球上的克里普岩。”

  ———— 开采困扰 ————

  开采难度系数大

  作为距离地球最近天体的月球,首当其冲的成为解决地球能源危机的理想之地。李雄耀副研究员对“将月球作为人类矿场”这种看法表示,从月球上汲取能源或许不失为一种途径,但是从技术实现上来讲,目前我国还没有这个能力去月球上开采利用,因为代价太高。

  “对月球矿物实现开采利用首先需要找到某种介质来代替人手,因为有很多东西是人没办法实现的。但这种开采活动势必要有人为参与,这就要求我们必须考虑人类在月球如何长期生存的问题。还有一个问题是在月球特殊的环境下,我们可以用什么办法去开采利用?包括能源供给,利用太阳能还是核能或者其他的能源?”李雄耀副研究员的一席话让人陷入沉思。

  基本生存成问题

  月球不适宜人类生存,一个重要原因就是它没有我们人类生存所必须的空气和食用水资源。虽然在1998年美国太空总署发射的“月球勘探者”宇宙飞船收集回来的资料上初步估计,应有2.6万亿至80万亿加仑凝结的水在月球上,这相当于一个中等大小的湖,但可惜的是都已凝结成冰,并与月壤混合形成所谓的“脏冰”,很难加以利用。月球的科学探测结果同样明确的告诉我们,除了缺少水资源外,月球上的大气也极其稀薄,约为地球上的一万亿分之一,这等于说,月球表面实际上没有空气。

  李雄耀副研究员补充说:“还有人类生存的温饱问题,在月球上我们怎样营造人类长期生存的环境,以解决地球运送必需品的高成本问题,这个问题也需要科学家认真思考。”

  辐射、颗粒难避免

  月球上有许多东西能杀人于无形:真空,极端高温或低温……排在榜首的是宇宙辐射。我们生存的地球由于受到其磁场和磁气圈的保护,所以才能躲避太阳、超新星都会带来大量的辐射。而月球就没那么幸运了。没有像地球大气那样的保护层,月球就完全赤裸裸地暴露在太阳风暴之下。辐射强度之大可想而知。

  而流星等一些微颗粒对月球的撞击次数则比人们想象的要多。与辐射类似,撞向地球的流星会在大气层中解体,所以不会造成太大危害。但是月球没有大气层的保护,流星便直接撞向月球表面。大多数流星是尘埃形式的,它们的撞击难以发现。但是最大的碎片能够在月球表面上撞击出一个环形山,并放出亮光和热量。一些闪光能够在地球上观察得到。

  灰尘危害不可忽视

  月球灰尘一直困扰着宇航员和科学家们,“阿波罗”宇航员曾指出:在月球表面,最恼人的问题还是灰尘。

  月球灰尘的麻烦起源于月球土壤的奇异特性。月球土壤为灰色粉尘状泥土,它是微小陨石撞击月球表面的岩石后产生的微细粒子。不过,在撞击中,撞击所产生的能量又将泥土熔化并成为蒸气,随后冷却聚集在土壤微细粒子上,在粒子上形成了具有光泽的表壳。

  李雄耀研究院说:“月球灰尘带有静电,这些带电粒子可以通过宇航员的仓外活不可避免的带入宇宙飞船的内部,也可以进入一些仪器设备的内部,从而导致异常事故的发生。”根据美国国家宇航局约翰逊太空中心邦妮·库伯的研究,月球微细粒子表壳中的铁有可能被吸入人体肺部并进入血液循环。初步研究显示,人体吸入月球灰尘可能造成包括铁中毒和尘肺病在内的健康危害。

  ———— 专家提醒 ————

  开发月球资源,前期的研究与探索很重要

李雄耀(中科院地球化学研究所副研究员)

  从能源利用方面来说,很多国家都提出了利用月球资源的想法,我认为首先我们应该要做的一件事,就是加大前期的研究,把一些关键性的问题梳理出来,进行技术攻关,这其中包括我们如何在一个极端的环境下,如何去提取资源,如何加以利用,如何提供能源的供给,包括如何给人为活动顺利进行提供一个保障系统,我们就应该在建立月球基地之前,做好一个前期的研究与探索。 (文·实习生 徐冰)

  延伸阅读

  第一座月球核电站明年问世

  这第一座太空核电站,考虑要生产电力供应月球、火星和其他星球上的载人或无人基地,这座核电站看起来真的像是来自外太空,这是这一项目的领导说的,是在美国化学协会(ACS)第242次全国会议暨博览会(242nd National Meeting & Exposition)上讲的。

  詹姆斯 E.沃纳(James E. Werner)说,表面电力应用的创新裂变技术远不同于熟悉的地面核电站,地面核电站要占据大片土地,而且有冷却塔等大型建筑。

  沃纳说:“人们总不会把裂变电力系统当作核反应堆。反应堆本身约11/2英尺宽,21/2英尺高,大约有一个随身携带的手提箱大小。没有冷却塔。裂变动力系统是一个紧凑、可靠、安全的系统,这是至关重要的,可用于在其他行星上建立前哨基地或常驻地。裂变发电技术适用于地球和月球上、火星上或美国宇航局认为需要持续供电的其他地方。”

  这一研究小组计划在2012年制成一个技术示范机组。这是美国国家航空航天局(NASA)和能源部(DOE)的一个合作项目。沃纳领导能源部的爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory),参与这一工作,其中包括参与反应堆设计和建模团队,燃料开发和制备,还要开发一台小型电动泵,用于液态金属冷却系统。

  在过去,阳光和燃料电池是太空飞行任务发电的重要支柱,但工程师们意识到,太阳能有它的局限性。在近地轨道和星载设备供电上,太阳能电池非常出色,但核能发电具有一些独特的功能,可以支持在其他行星或卫星上的载人前哨基地。

  “太阳能和核反应堆之间最大的区别是,核反应堆可以在任何环境下发电,”沃纳解释说。 “裂变发电技术不依赖阳光,这使它能够生产大量稳定的电力,适用于夜间或恶劣的环境,比如月球或火星上所见的环境。在月球上的裂变电力系统可产生40千瓦以上的电力,大约相当于供应地球上8个家庭所需的电力。”此外,他说,裂变电力系统可以运行在不同的地点,如陨石坑,峡谷或洞穴都可以。

  沃纳说:“主要的一点是,核电有能力提供一种电力丰富的环境,服务于宇航员或我们太阳系中任何地方的科学综合工程,而且这项技术很成熟,价格适中,可安全使用。”

  裂变发电系统依靠的能量产生于核裂变。核裂变运行,会分裂铀原子以产生热量,然后将热量转换成电力。裂变电力系统的主要组成部分,类似于目前使用的商业反应堆中所见的那些:热源,功率转换,散热以及功率调节和配电。

  沃纳补充说,尽管组件上有类似的地方,但是,太空用的裂变发电系统的功能,与商业反应堆相比还是有大量不同之处。

  “虽然物理原理是相同的,但是,它的低功耗水平,反应堆控制,以及把中子反射回堆心所用的材料都是完全不同的,”沃纳说。“重量也是一个重要因素,在太空反应堆中必须最小化,但商业反应堆就不考虑。”

  沃纳争辩说,一旦这项技术得到开发和验证,它可能会证明是最经济实惠和多功能的选择之一,可为常驻基地供电,用于太空探索工程。