9月9日,國家航天局、國家原子能機構聯合在京發布嫦娥五號最新科學成果。國家原子能機構副主任董保同在發布活動上宣布,中國科學家首次在月球上發現的新礦物被命名為“嫦娥石”,其英文名為Changesite-(Y)。這是我國在空間科學領域取得的一項重大科學成果,也是核與航天跨行業、跨專業合作的一次有力探索。
“嫦娥石”是我國發現的首個月球新礦物,也是人類發現的第六個月球新礦物。這次新發現使我國成為世界第三個發現月球新礦物的國家。
【資料圖】
“此次系列新發現還帶動了新技術、新方法的發展,推動了礦物學的進步,為月球演化、資源開發利用,以及未來深空探測等提供科學支撐。”中核集團核工業北京地質研究院(以下簡稱核地研院)嫦娥五號月球科研樣品研究團隊負責人李子穎告訴《中國科學報》。
嫦娥石:來自月球的新礦物
開展月球樣品科學研究是實施探月工程的主要目標任務之一。經過激烈競爭,核地研院獲批成為第一批開展月球樣品科學研究的單位之一,先后獲得了365克月球樣品。
根據研究計劃,科研人員首先對首批50毫克樣品進行礦物學研究。
“我們對數十萬個平均大小僅10微米的月壤顆粒進行化學成分測定,發現有一類微小顆粒的化學成分和所有已知礦物成分都不相同,它的稀土含量特別高。經過反復查閱文獻,結合多年的專業敏感性,我們意識到這有可能是新礦物。”新礦物發現團隊成員、核地研院研究員李婷告訴《中國科學報》。
判斷是否是一個新礦物,有兩個必要條件:化學成分和晶體結構。于是,李婷和團隊成員立即著手測定結構。
然而,這一新礦物是一個10微米左右的顆粒,和輝石交互共生,無論是實驗手段還是后期數據處理都沒有辦法把輝石剔除干凈,因此一直沒有獲得理想的結構數據。
一個多月后,核地研院申請到第二批月壤樣品。團隊統計了樣品靶上超14萬個顆粒,又找到了一些新礦物的蹤跡,但有希望測到單晶結構的只有一顆,而且裂成了三小塊。最終團隊使用聚焦離子束電鏡切出了一顆10×7×4微米的純的單晶顆粒,然后將顆粒轉移到單晶衍射儀上收集衍射數據,最后解譯出了晶體結構。
隨后,團隊對其進行了拉曼光譜分析、晶體光性描述、物理性質計算等,通過系統詳盡的礦物學研究,最終成功確定其為一種從未被發現過的磷酸鹽新礦物,為致敬中國航天和深空探索事業,核地研院將其命名為“嫦娥石”。
“嫦娥石”發現于嫦娥五號月壤的玄武巖碎屑中,是新的磷酸鹽礦物,屬于隕磷鈉鎂鈣石族。晶體結構屬三方晶系,空間群R3c,呈微小柱狀,伴生礦物有鐵橄欖石、單斜輝石、鈦鐵礦、鈣長石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。
2022年8月,國際礦物學會新礦物分類及命名委員會全票通過了“嫦娥石”申請報告并頒發批準函。
氦-3:未來潔凈能源
除了發現“嫦娥石”外,科研團隊還在嫦娥五號月壤中首次成功獲得未來聚變能源資源——氦-3含量和提取參數。
事實上,在嫦娥五號返回前,核地研院結合院科研優勢和基礎,系統規劃并提出了開展嫦娥五號月球樣品的科研計劃,并確定了“嫦娥五號月球樣品核能元素研究”方向,目標是開展自主月球裂變、聚變資源基礎地質研究,為月球演化和月球資源評價提供重要基礎數據。
“月球上最重要的一個資源就是氦-3,它是未來核聚變反應的理想原料,被稱為未來的潔凈能源、完美能源。有科學家估算,如果有100萬噸的氦-3,就能為地球提供1萬年的能源支撐。然而,它在地球上極為稀缺。”核地研院科技部副主任、第一批月球樣品責任人黃志新說。
目前,科研人員研究的核聚變反應大多基于氘氚反應,其反應時會產生放射性物質,若用氦-3參與反應,則不會產生核輻射,且可以釋放更多能量。
那么月球中氦-3的含量究竟有多少?如何提取?
核地研院經系統研究和測量,首次準確獲得嫦娥五號月壤中氦-3含量及最佳提取參數。值得一提的是,團隊成功開展了氦-3提取實驗,準確獲取了氦-3釋放的最佳溫度曲線。
黃志新說,這些是我國自主測量的可靠數據,為我國后續月球氦-3資源的遙感預測和資源總量估算,以及氦-3資源的未來開發和經濟評價提供了基礎科學數據。
開啟探月研究新篇章
科研團隊全面研究了嫦娥五號月壤顆粒的形貌特征,獲得了嫦娥五號月壤顆粒的典型形貌特征,為研究月壤形成提供了科學依據。通過對數十萬個月壤顆粒進行系統研究,他們獲得了嫦娥五號月壤的礦物組成,為研究月球演化和形成提供了有力支撐。
“系列成果的取得,是我國核科技實現自立自強的重要體現,但成果來之不易,過程非常曲折。”核地研院副院長陳亮表示。
月球樣品珍貴稀少,必須用好每一個顆粒、確保極低的樣品損失量,這考驗著科研人員的耐心和技能。
李婷回憶,最難的是挑選月球樣品,由于不允許引入外來“污染”,只能靠針尖和顆粒之間摩擦產生的一點靜電吸附住樣品。他們經常用針尖推著樣品在玻璃片上來回跑,就是取不起來,每每這時既絕望又崩潰,但也只能深呼吸,穩住崩潰的情緒和僵硬的肩膀一遍遍嘗試。
“這些顆粒中,小的不足頭發直徑的1/100,大的也只有一根頭發粗細,跟它們死磕了兩個多月,終于完成了挑選任務,實驗計劃如期完成。”李婷說。
稱重也需非常精確。黃志新介紹,分取使用的天平是百萬級天平,可以精確到0.001毫克。
“最困難的是要準確稱取數份0.1毫克樣品,舉個例子,一顆綠豆大約600毫克,相當于我們需要取1/6000顆綠豆,手稍稍抖一下就超量了。每個空樣品槽稱三遍,放入樣品后再稱三遍,以確保稱量準確。”黃志新說。
星空浩瀚無窮,探月研究開啟新篇章。“這是一條相當漫長而曲折的道路,無論經費、時間、精力,所有的投入都必然是有限的,而唯一無限的是科學家的好奇心。”李子穎說。
據了解,2020年12月17日,嫦娥五號攜帶1731克月球樣品返回地球。國家航天局已完成四批152份共計53625.7毫克的月球樣品發放,有33家科研單位的98位申請人通過申請。第五批月球樣品正在評審,后續按程序發放。
中科院、教育部、自然資源部、中核集團等多家單位獲批承擔月球樣品研究工作,國外科學家、留學生也參加了聯合研究。目前已在巖漿分異、太空風化、氦-3氣體以及生物能轉化等方面取得最新成果,給認識月球起源與演化、探尋月球資源的有效利用以及實現“零能耗”的地外環境和生命支持系統帶來重要啟示。
記者 韓揚眉 見習記者 王一鳴
免責聲明:市場有風險,選擇需謹慎!此文僅供參考,不作買賣依據。