月壤研究：為登月和駐留做準(zhǔn)備

2020年12月19日，中國國家航天局向中國科學(xué)院移交了“嫦娥五號”從月球上采集回來的1731克月壤和巖石樣品，國家天文臺建設(shè)了月球樣品的實(shí)驗室來保存分配這些月壤和巖石，并組織科學(xué)家開展科學(xué)研究。

月壤再臨地球

上一次的月球采樣，已經(jīng)是半個世紀(jì)以前了。上世紀(jì)六七十年代，“阿波羅號”采回了月壤，美國送給中國科學(xué)家1克月壤。這1克月壤，在以歐陽自遠(yuǎn)院士為代表的中國科學(xué)家進(jìn)行了集中研究，發(fā)表了很多學(xué)術(shù)論文，得到了很多關(guān)于月球的認(rèn)識，也奠定了中國探月工程的基礎(chǔ)。所以科技的大廈不是一天建成的，而是要長期地積累。

中國的探月工程在上世紀(jì)的六七十年代開始起步，然后逐漸積累。2004年中國探月工程立項，2007年發(fā)射了“嫦娥一號”衛(wèi)星，2010年發(fā)射了“嫦娥二號”衛(wèi)星，2013年中國的“嫦娥三號”和“玉兔號”月球車著陸月球正面，2019年的1月，我國的“玉兔二號”月球車和“嫦娥四號”著陸器，代表人類第一次登陸到月球背面。而隨著“嫦娥五號”帶著月壤返回地球，我國用16年時間完成了探月工程“繞、落、回”三個階段。

有人說，1731克月壤是不是少了一點(diǎn)？美國已經(jīng)采了兩三百千克的月壤。但是，對于月球樣品來講，重量不是問題，因為現(xiàn)在的高精尖分析儀器，不用說1731克，170克樣品就已經(jīng)可以滿足所有的分析需求了。我們更希望從月球上的不同地區(qū)，采集多樣化的月壤，因為那里面有更豐富的信息。

為何要模擬月壤

現(xiàn)在有很多人都覺得，研究月球是多么高大上、多么光榮的一件事情，但在20年前，也就是我剛剛讀研究生時，我國研究月球的人屈指可數(shù)，而且在做研究時第一沒有樣品，第二沒有數(shù)據(jù)，第三也沒有觀測的儀器設(shè)備，所有的研究工作只能先站在前人的肩膀上。

在經(jīng)過大量的調(diào)研之后，我們發(fā)現(xiàn)月壤是可以模擬的。

阿波羅登月和蘇聯(lián)無人采樣采回來的月壤，其數(shù)據(jù)、成分都已公布。我們通過調(diào)研了中國東、南、西、北、中，各個地區(qū)的巖石礦物和土壤，發(fā)現(xiàn)在吉林省長白山地區(qū)有一種火山渣，成分跟月球上“阿波羅十四”登月點(diǎn)采來的一種月壤成分相近。以這個物質(zhì)作為初始物質(zhì)，經(jīng)過加工，然后經(jīng)過廣泛的測試對比，我們研制成了中國的第一個模擬月壤。

模擬月壤不是只要顏色像、看起來好就可以了，而是要真的跟月球土壤顆粒的形狀、大小、分類、成分等相似。當(dāng)然，這種模擬仍然是有限的，因為它畢竟是在地球上形成的。

真實(shí)月壤是無價之寶，可能只有極少部分的月壤會被拿來進(jìn)行科學(xué)研究。在用真實(shí)月壤之前，可以用模擬月壤先進(jìn)行一些測試，如果模擬月壤測試成功了，我們才能用到真正的月壤上去。此外，我們要利用月壤進(jìn)行原位資源的利用，3D打印提取和生產(chǎn)氧氣和水等，這樣的一些資源利用實(shí)驗要消耗大量樣品，最好也用模擬月壤來代替。

月壤聞起來什么味道

“嫦娥五號”帶回了月壤，公眾會有諸如“月球的土壤能不能種菜？能不能種水稻？能不能種土豆？”等問題，最有趣的則是“月壤聞起來是什么味道的？”

其實(shí)，我也不知道什么味道，即便是真正登陸月球的宇航員也不一定知道。因為月球上是真空，一旦航天服漏氣，生命都無法保證。帶回地球的月壤，也因為要完全隔絕地球的環(huán)境，一旦打開就不是月壤了。

我們只能依據(jù)經(jīng)驗來猜想，真正吸入月壤時，應(yīng)該有一種比較刺激的感覺。因為月壤里面有很多氧化性的物質(zhì)，特別是里面還有一些叫納米鐵的物質(zhì)。在月球上的還原環(huán)境下，單質(zhì)的鐵可以穩(wěn)定存在，但是一接觸氧氣馬上就會被氧化掉。

研究月壤是為了更好地研究月球

同為星球土壤，月球土壤跟地球土壤有什么不同？

地球上的土壤都在風(fēng)霜雨雪的風(fēng)化下，經(jīng)歷了物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化等過程，才形成了地球的土壤。月球的土壤沒有水、空氣和生物，跟地球土壤很不相同，這也是現(xiàn)在保存月球土壤的一個首要因素，要隔絕與地球大氣、水，防止受污染產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

月壤實(shí)際上是月球表面的巖石經(jīng)過小行星的撞擊、宇宙射線的太空風(fēng)化、幾十億年的長期演化才逐漸形成的。月球表面都覆蓋著一層月壤。未來人類要利用的月球資源，其實(shí)就是月壤，而我們用遙感衛(wèi)星得到的所有數(shù)據(jù)，其實(shí)就是月壤發(fā)給我們的信息。

我們做出的模擬月壤，粉塵非常細(xì)，顆粒是幾十微米，很有棱角，非常尖銳。因為它沒有經(jīng)歷像地球土壤這樣的磨損過程，純粹是小行星撞擊砸出來的。如果將模擬月壤摻入到月球車的輪子或者機(jī)械設(shè)備，或者放在太陽能電池板上，就會干擾月球車和月球探測器的相關(guān)工作。如果它進(jìn)入航天員的呼吸系統(tǒng)，就會對航天員的健康造成損害。所以，我們必須要深刻理解月球的土壤和月層，才能更安全地在月球上進(jìn)行駐留。

中國探月工程“繞、落、回”三步走已經(jīng)圓滿收官，但“探、登、駐”已在路上，探月階段完成之后必然要進(jìn)行登月和月球駐留工作，而對月壤的研究就是為了更好地研究月球。