來自月球背面的“土特產”爲何珍貴?如何管理?
嫦娥六號凱旋，帶回月球背面的“土特產”！
1935.3克！這是人類首次月背採樣返回。
別看這只是近4斤的“土”，它的價值可比黃金還貴重。科學家們對這些從月球來的寶貝寄予厚望，因爲它們藏着月球的前世今生，甚至是太陽系的秘密，每一粒都可能是打開新知大門的鑰匙。
對於這份月壤，我們有太多的好奇與期待。
奔月“挖土”，探索秘境中的秘境
自20世紀50年代起，人類對月球開展了100多次探測，並10次從月球正面採樣返回——美國通過阿波羅計劃6次載人登月，共帶回了381.7千克月球樣品；蘇聯通過月球探測器，分3次採集了326克月球樣品；2020年，嫦娥五號實施中國首個無人月球採樣返回任務，帶回了1731克月球樣品。
那麼，既然嫦娥五號任務已圓滿完成，作爲備份的嫦娥六號爲何還要奔月“挖土”？
因爲，對於月球研究來說，這些樣品的多樣性遠遠不夠。
“月球表面積接近3800萬平方公里，只比亞洲面積小一點，目前的採樣研究很有限。”國際宇航聯合會空間運輸委員會副主席楊宇光說，月球背面和正面地形地貌差異非常大，形成過程中有自身的特殊性，對其地質、火山活動等方面的研究需要更多的樣品來支撐。
已有研究也表明，月球具有二分性，正面和背面的成分、結構等都存在顯著區別。月球正面月殼厚度大約30千米至50千米，玄武岩分佈面積大於30%；而月球背面厚度大約60千米至80千米，玄武岩分佈面積僅約3%。由於直接暴露在太空中，月球背面如同一塊盾牌，阻擋了大量小天體對地球的直接撞擊，因此與較爲平坦開闊的月球正面不同，月球背面佈滿溝壑、峽谷和懸崖。“一個很明顯的特點就是，月球表面90%以上的低窪平坦區域都在月球正面，這些區域被稱爲月海，嫦娥五號就降落在月球正面最大的月海——風暴洋中。而月球背面除了莫斯科海以外，幾乎沒有大型的月海。”楊宇光說。
由於月球被“潮汐鎖定”，自轉週期和公轉週期相等，地球強大的引力讓月球總是以同一面朝向地球，人類在地球上也只能看見月球的正面。對於人類而言，月球背面可謂“秘境中的秘境”。“可以說，在月球採樣方面，嫦娥五號是從時間上補齊了這一環，因爲其在月球正面取到了迄今最年輕、地質年齡約爲20億年的月壤，嫦娥六號則是從空間上補齊了這一環。”楊宇光表示。
和月球正面的“土”相比，月球背面的“土”又有什麼不一樣？
“從月球背面，尤其是從我們選擇的南極-艾特肯盆地採集樣品，在礦物化學成分上可能與正面樣品有非常大的差別。”嫦娥六號任務副總設計師、中國科學院國家天文臺研究員李春來認爲，研究這些樣品有助於揭示月球背面特有的地質構造和物質成分的差異，更全面地瞭解月球的地質演化歷史，“以往採集的樣品，只認識到半個月球”。
李春來分析，嫦娥六號採樣點位於巨大的撞擊盆地裡，它受到早期撞擊事件的拋射，很可能會挖掘到深部物質。“南極-艾特肯盆地是一個巨大的撞擊坑，可以爲早期的撞擊歷史，甚至地球的早期撞擊過程研究提供機會，有助於瞭解太陽系早期的演化歷史和判斷歷史，推動比較行星學的研究”。
“我們在採樣過程中就感覺月球背面和正面的月壤不太一樣，正面的月壤比較細膩、鬆散，背面的狀態似乎不太一樣，所以我們有更高的期待，希望科學家們有新的發現。”嫦娥六號任務總設計師胡浩說。
1935.3克，每一克都是科技的突破
53天，11個階段，1935.3克！
從5月3日，長征五號遙八運載火箭成功將嫦娥六號探測器送入預定軌道開始，歷經地月轉移、近月制動、四器兩兩分離、平穩落月、鑽表取樣、月面起飛、交會對接、樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收等階段，嫦娥六號最終滿載成果返回地球。
回顧這段探月之旅，月背“土特產”，來得不容易。
難在哪兒？月背地形地貌複雜、落月機會只有一次、“挖土”如同“開盲盒”……月背採樣返回，沒有先例可循，面臨很多新情況、新問題。
“這次任務比嫦娥四號降落月背、嫦娥五號月表採樣都更具挑戰性。”楊宇光認爲，嫦娥六號面臨的一大困難在於，“在月背降落、採樣和起飛均需要通過中繼衛星進行測控，整個過程無法通過地面站直接監控。”
“嫦娥六號原來是嫦娥五號的備份，執行月背任務是對備份提出的新挑戰。”在胡浩看來，挑戰來自質量和可靠性、技術狀態變化以及計劃安排等多個方面。
怎麼辦？在嫦娥六號執行任務之前，科研人員對上天產品和地面產品的質量和可靠性進行深入分析，使整個系統更健全、更健康、更可靠；爲在月球背面着陸採樣，做出了很多與之相適應的改變；在一年多的時間內，從頭開始研製鵲橋二號中繼星，開展大量試驗和驗證工作……
“事實證明，我們成功應對各項挑戰，圓滿完成了任務。”胡浩說。
困難不斷被克服，關鍵核心技術更有新突破。
“亮點非常多！”楊宇光介紹，嫦娥六號任務實現了三大關鍵技術突破。
——突破月球逆行軌道設計與控制技術。嫦娥六號與嫦娥五號的基本狀態一致，不同在於，嫦娥六號是在月球背面着陸，着陸位置由北半球變爲南半球。若沿用嫦娥五號的環月順行軌道方案，就意味着很多設備的朝向是反的。嫦娥六號採用的逆行環月軌道方案，雖給軌道設計帶來一定難度，但避免了硬件設備的大幅調整，做到了整個系統的最優。這是一個設計很精巧，能有效降低成本的措施。
——突破月背智能採樣技術。嫦娥六號月背採樣只能靠鵲橋二號中繼星支持，一旦出現問題，任務就難以進行，“尤其是表取，由於機械臂路徑不是唯一的，在無人干預的情況下，要自主完成任務，難度很大。”研製人員爲嫦娥六號採樣封裝分系統進行了多項升級，設計了適應月球背面採樣的控制算法和採樣策略，進一步提高了採樣的智能化、自動化程度，增強了採樣效率和能力。
——突破月背起飛上升技術。嫦娥六號從月背起飛，要在鵲橋二號中繼星的輔助下進行智能自主控制。嫦娥六號採樣返回採用了月球軌道交會對接的方式，這就要求上升器進入和軌返組合體相同的軌道面，然後通過調整實現近距離交會對接。上升器在繞月軌道上的飛行速度約爲1700米每秒，如此高速意味着極小的軌道面偏差就會導致交會對接失敗。
“嫦娥六號任務是中國航天史上迄今爲止技術水平最高的月球探測任務，也是我國第四次成功在月面實施軟着陸。這對未來更大規模、更深入的月球探測、深空探測活動，都會起到夯實基礎的作用。”楊宇光說。
近觀月壤一克，遙測星河萬年
6月28日，探月工程嫦娥六號任務月球樣品交接儀式在北京舉行，國家航天局向中國科學院移交了嫦娥六號樣品容器，交接了樣品證書。這標誌着嫦娥六號任務由工程實施階段正式轉入科學研究新階段。
月球樣品，顆粒皆珍貴，要如何管理？
其實，這有章可循。2021年，國家航天局發佈《月球樣品管理辦法》，規範月球樣品的保存、管理和使用，以發揮其科研價值與社會效益。原則上，月球樣品分爲永久存儲、備份永久存儲、研究和公益四種基礎用途。
月球樣品實驗室，便是“第一站”。無論是嫦娥五號月球樣品，還是嫦娥六號月球樣品，都要在這裡解封、存儲和分發。
月球樣品實驗室由外及裡，共分爲三個房間。第一間用來解封樣品，第二間存儲了嫦娥五號月球樣品，而第三間便是爲嫦娥六號月球樣品所準備的。
在實驗室，工作人員以“是否接觸過大氣”爲標準，對已有的嫦娥五號月球樣品進行分類存儲。嫦娥六號探測任務地面應用系統副總設計師周琴介紹，接觸過大氣的月球樣品分爲兩部分，一部分是當時挑出來的一些巖塊樣品，另外一部分是對外發布的一些返還樣品。而沒有接觸過大氣的原始月球樣品，會被存放在一個充氮密封手套箱裡。
此外，周琴還介紹了樹脂包埋的保存方法—將小的岩屑顆粒或月壤做成樹脂光片的形式，科研人員就可以直接用這些光片去做同位素、化學成分的分析。採用這種方法能保持樣品顆粒的原始形態，方便研究，同時在封存狀態下，樣品不易破碎，利於長期保存使用。
存得好，更要用得好。
此前，國家航天局已向國內131個研究團隊發放了7批次共85.48克嫦娥五號月球樣品。國家航天局副局長卞志剛透露，從嫦娥五號月球樣品中，中國科學家發現了月球的第6種新礦物“嫦娥石”；研究還證明，月球在19.6億年前仍存在岩漿活動，使目前已知月球地質壽命“延長”了10億年。月球樣品進入“嫦娥時代”，極大豐富了人類對月球乃至宇宙的認知。
隨着對嫦娥五號月球樣品研究的深入，更多月球奧秘正被揭開。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示，根據任務計劃，嫦娥六號的主要科學任務集中在尋找新礦物和岩石、尋找月球深部物質、尋找古老物質、揭開蘇長巖成因之謎等方面。想要揭秘，還需等待科研人員完成對樣品的分析和研究，但不妨展望一二—嫦娥六號月球樣品中或許含有以下成分：岩石碎片，這些碎片來自月球表面的岩石；礦物顆粒，包括長石、輝石、鈦鐵礦等，是月表的主要組成部分；玻璃物質，由撞擊熔融形成；微量元素，如銅、金等，對研究月球形成和演化很有幫助；氦-3，一種潛在的核聚變燃料……
月球古老神秘，人類求索不停。從一抔月壤開始，對未來，我們充滿期待。（記者姚昆）
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