檢測樣本氦-3含量 打開月球能源寶庫大門
中核集團核工業北京地質研究院月球樣品檢測實驗室武勇博士在手套箱中觀察月壤樣品 李仁攝
走近月壤研究①
編者按 7月12日，國家航天局探月與航天工程中心在北京國家天文台舉行嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發放儀式，13家科研機構成為首批開展月球科研樣品研究的單位。
本報策劃了“走近月壤研究”系列選題，帶你看看嫦娥五號奔赴月球“挖礦”，辛苦“揹回”的月壤究竟能揭示月球哪些特徵，不同科研機構又能從中獲得哪些科研成果。
7月30日，據中國探月與深空探測網報道，探月工程三期地面應用系統目前已完成第二批月球科研樣品的處理，嫦娥五號任務第二批月球科研樣品信息上線發佈。
就在不久前，第一批1731克的月球科研樣品成為我國科學界的“香餑餑”。
7月12日，國家航天局探月與航天工程中心在北京國家天文台舉行嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發放儀式，13家科研機構成為首批開展月球科研樣品研究的單位。其中，中核集團核工業北京地質研究院（以下簡稱核地研院）得到了50毫克月球樣品。
7月16日，核地研院開箱啓用月球樣品，揭牌成立核地研院月球樣品分析檢測實驗室，宣佈正式啓動嫦娥五號月球樣品科研工作。
月球，這片古人眼中的極陰之地，究竟藴含着何種能量？核地研院的科研人員準備用什麼方法探尋這些能量？月球樣品究竟能揭示月球哪些奧秘？帶着這些問題，科技日報記者專訪了核地研院。
缺乏大規模試驗 人類對月球核能元素認識有限
對看過動畫片《機動戰士高達》的人來説，氦-3並不是什麼神秘的名詞。
“月球基地以氦-3作為能源”幾乎是科幻作品設定的“標配”。作為核聚變最理想的燃料之一，氦-3是許多科幻作品中的常客。它在地球上的含量非常稀少，在月球上卻十分富足。
據探月工程首任首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠估算，全世界一年的總髮電量只需消耗約100噸氦-3，而月壤中的氦-3含量可滿足長達萬年的地球能源需求。開發月壤中所藴含的豐富氦-3，對人類未來能源的可持續發展具有重要而深遠的意義。
核地研院院長李子穎告訴記者，目前科學家對包括月球氦-3在內的核能元素的認識，大多基於非常有限的月球取樣以及天文物理和天體遙感探測數據，資源評價精準程度遠遠不夠。現有的月壤氦-3提取技術也僅僅是建立在少量月球樣品基礎上的實驗室數據，缺乏大規模試驗和系統性的驗證。
“解剖”月壤樣品 為未來月球氦-3利用打前站
核地研院獲得的50毫克粉末樣品被置於該院實驗大樓一樓一間實驗室的手套箱內。該手套箱與用於核酸檢測的移動方艙手套設計原理相似。不同的是，該手套箱內充滿氮氣，科研人員穿上白大褂，將手伸進手套箱，就能利用高倍光學顯微鏡進行礦物學觀察和分類，然後再分別利用惰性氣體質譜儀、電子探針、高精度激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀等設備，相繼開展氦-3含量、礦物組成、主微量元素含量等的測定，為進一步的科學研究提供原始數據。
核地研院月球樣品分析檢測實驗室主任郭冬發告訴記者，核地研院想要從事上述研究離不開一件殺手鐧——國內為數不多的Helix SFT稀有氣體質譜儀。該質譜儀分叉管道設計，專門測試氦同位素，具有極高的靈敏度和分辨率，檢測器配備法拉第杯和極低噪音電子倍增器，可實現對氦-3和氦-4的同時檢測，顯著提高測試準確度。與此同時，圍繞此質譜儀，實驗室還自主設計研發了雙真空鉭片加熱爐和緊湊的氣體純化系統，並採用相關軟件聯合控制，實現了對樣品中氦同位素的全流程自動化測試，顯著提高了測試精度。這些條件為月壤樣品中氦-3含量的準確測試提供了重要保障。
核地研院月球樣品使用責任人黃志新研究員認為，通過研究，有望查明制約氦-3等聚變元素核素吸附能力的月壤成熟度等關鍵科學問題，初步闡明嫦娥五號月壤樣品中氦-3的富集特徵及機制；釐定嫦娥五號月壤樣品中氦-3的逸出特性和最佳提取温度；查明月壤樣品的主、微量元素含量特徵及對氦-3含量的制約；為估算月球氦-3資源量和探索月球氦-3利用可行性提供科學數據支撐。
同時，黃志新也表示，月球樣品具有特殊性，主要風險為微細顆粒操作失誤（墜落、灑落等）和污染風險。為防止操作失誤，操作人員必須經過模擬操作訓練，並獲得操作許可證後，再開始正式處理月球樣品；為控制污染，研究人員在使用樣品過程中，需要儘可能避免使用易污染的材料和試劑，同時建立預防未知風險因素預警機制。
樣本增加新“成員” 有望解開更多月球奧秘
月球的年代學研究既是一個複雜的系統性工程，又是一個在行星科學中極為重要的基礎性研究工作，對於揭示月球的形成及演化規律具有重要意義。
基於現有的從月球返回樣品的年代學研究工作，科學家構建了月球地質年代的基本框架，但由於樣品分佈範圍有限，並不能代表整個月球的情況，且留下了30—10億年間無月球樣品的空白。
嫦娥五號採樣返回意味着具有明確採樣位置的月球樣品又增加了新的“成員”，並且此次重返月球有可能採集到更多來自不同地質背景、形成於不同歷史時期的月球樣品，對完整還原月球歷史，真正全面認識月球，認識地月系統，甚至認識整個太陽系的存在有着重要的意義。
值得一提的是，嫦娥五號採樣位置位於風暴洋北部呂姆克山附近，有可能採集到克里普巖（KREEP），該巖通常以富集鉀（K）、稀土元素（REE）、磷（P）、釷（Th）、鈾（U）元素為特徵，這為研究鈾釷分佈和富集特徵以及KREEP巖的形成機制等這些目前未能解決的關鍵問題提供了有利條件。
從長遠看，雖然月球的地質作用沒有地球的那麼複雜和頻繁，但充分認識月球的地質作用過程和月表特徵，包括樣品形成時的環境和條件，對認識月球的地質歷史和演化仍舊非常重要，也可為月球和地球的比較研究及兩者的成因關係提供依據，甚至對認識地月系統乃至整個太陽系有着重要的意義。
月球是一個巨大的繞地軌道“空間站”，一個地球引力之外的天然衞星，在人類向宇宙開拓時，可利用月球的原材料為星際探索提供助力。開展核能裂變和聚變元素資源評價研究可為未來地球應用和星際開拓提供參考和支撐。