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亲,来月球挖矿嘛?

亲,来月球挖矿嘛?
2022年09月15日 21:36 新浪网 作者 石头科普工作室

  本文字数:约2700字

  阅读时间:10分钟

  中秋赏月时,大家常常感慨于月亮的皎洁与迷人;在赏月怀古的同时,也让人不经想起作为基建大国的我们,心心念念的探月梦和宏伟的月球基建工程。

  那么月球上到底有什么,值得我们魂牵梦萦?是舞翩翩的嫦娥?是呆萌萌的玉兔?是勤勤恳的吴刚?NO!都不是!9月9日,中国传统节日中秋佳节前夕,国家航天局、国家原子能机构联合在京发布嫦娥五号最新科学成果:中国科学家首次在月球上发现新矿物,并命名为“嫦娥石”。

  嫦娥石

图为“嫦娥石”理想晶体图

  国家航天局、国家原子能机构 供图

  嫦娥石”是一种磷酸盐矿物,呈柱状晶体,存在于月球玄武岩颗粒中。中核集团核工业北京地质研究院创新团队,通过X射线衍射等一系列高新技术手段,在十四万个月球样品颗粒中,分离出一颗方圆约10微米大小的单晶颗粒,并成功解译其晶体结构。经国际矿物学会(IMA)新矿物分类及命名委员会(CNMNC)投票通过,确证为一种新矿物。

  该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物,我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家,为和平利用和合作开发太空资源贡献了中国力量![1]让我们给废寝忘食的科研工作者们点赞!

图为显微镜下的月球样品

  核工业北京地质研究院 供图

  地球——人类的祖地,是人类起源和成长的“摇篮”,作为从新生代开始成长发育的“大宝宝”,人类在经过数百万年的进化后,终将离开我们心心念念的“摇篮”,拥抱我们抬头可见,却又陌生的广阔的宇宙。月球,作为从古至今另无数人遐想的地方,成为我们探索宇宙的跨出的第一步。作为有信仰的科研巨婴,作为新一代的基建狂魔,没有什么比在月球上开矿更让人激动的事情了!

  那么月球上到底有什么呢?要解决这个问题,首先要从月球的起源说起。

  月球的起源与演化

  月球是地球唯一的天然卫星,它伴随着地球走过了40多亿年的岁月,现在仍然点缀着我们的夜空,见证了万物起源、生物灭绝、人类崛起,它从未离开过地球的身旁,是地球最忠实的伴侣。

  对于月球起源与演化,现在还没有完全的定论,当下比较常见的假说俘获说/配偶说、同源说/手足说、分裂说/亲子说和大撞击说等四种,除了最后一种说法的名字看起来比较不“和谐”外,其他假说的用词不可谓不亲切。但是恰恰是“大撞击说”在重重论证下,最终获得了众多科学家的青睐,成为较为成熟的月球起源学说。

  大撞击说认为,在太阳系形成早期,行星际空间有大量星云,星云经过碰撞、吸积而逐渐增大,形成了星球的基础。

  大约在相当目前地月系统存在的空间范围内,形成了一个质量相当于现在地球质量9/10的“原地球”和另一个火星大小的天体“原月球”,可以说是青梅竹马,两小无猜。这两个天体在各自的演化过程中都形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐组成的幔和壳。由于这两个天体相距不远,双向奔赴就如同天注定地那般,无法阻挡的开始了。

  剧烈的碰撞不仅使“原地球”的自转产生了偏斜,而且使“原月球”碎裂,月幔和月壳变热蒸发,膨胀的气体“裹挟”着尘埃和少量的幔物质飞离原月球。被分离的金属核因受膨胀气体的阻碍而减速,同时受地球引力影响,被“原地球”吸积并变成了地球的一部分。因此现在的月球有着地球的“骨肉”,地球有着月球的“灵魂”,两者彻底难舍难分。而那些飞离的气体尘埃物质受地球引力的作用,呈盘状分布在洛希极限以外的空间,它们通过吸积,先形成一些小天体,然后像滚雪球一样不断吸积增长,最终形成现在的月球。[2]因此,从起源研究上来说,月球上的矿物资源与地球上的矿物资源有着较高的同质性。

  撞击形成的月球早期发生了核幔分异,并出现全球性的岩浆洋,岩浆洋冷却结晶形成以斜长岩成分为主的月壳,镁铁质矿物组成的月幔,壳幔之间充斥着钾(K)、稀土元素、磷(P)等物质。随着月壳逐渐形成,月球南极—艾肯盆地、雨海、东海等大型盆地也在后续的演化中在月海玄武岩的充填下逐渐成形,塑造了现今月球表面的大尺度地形特征。

  月球的矿产资源

  我们知道,岩浆作用是成矿的重要过程,新月球形成初期全球性的岩浆活动也促使了大量月球矿物的形成。根据自20世纪六七十年代以来的研究成果,月球的矿物资源表现出独特的特征。

  月球矿产资源主要赋存于高地斜长岩、月海玄武岩、火山碎屑岩、月壤及其组成矿物中,包括斜长石和钾长石中的钠、钾、锶、钡、铝和 硅;KREEP 岩中的REE(稀土元素)、铀、钍、钾、磷;橄榄石中的 镁及辉石中的 锰、铬;还有月海玄武岩中的钛铁矿、铬铁矿中的金属元素铁、钛、铬 ,均是重要的矿产勘查和利用对象。

  月壤中的一些磷酸盐矿物中,还富集有稀土元素和卤族元素,在一些火山碎屑岩中含有硫、金、镉、锌及溴等元素,也富含火山玻璃等矿产资源。同时在太阳风和撞击作用长期作用下,月球表面广泛覆盖着厚达5~10 m的月壤,其中含有大量“氦-3”。“氦-3”是一种核聚变的燃料,地球上“氦-3”的总量不超过500千克。然而,据估计,太阳风已经向月球表面沉积了100万吨~500万吨“氦-3”。此外还有其他惰性气体元素,以及碳、氢及氮和陨石中的镍等元素。由于我们对月球的探索还处在初级阶段,不难想象,随着科研探索的深入,月球将不出意外的把元素周期表上的大部分自然元素“包圆”。[3]

月球可利用资源种类及其利用途径 [4]

  那么这些矿物具体有什么用呢?

  举几个例子,月球上的氢非常丰富,在开发月球的过程中,对氢的需求量很大,生产推进剂需要氢,而且氢有多种工业用途。月壤中的铁、钛、铝、硅、镁、钙以及稀土元素可以为新能源、航空航天、电子工业等高新技术产业提供必要的原料支持。通过利用、收集、加工、储存和使用在其他天体(月球、火星、小行星等)上发现或制造的材料,还可以替代原本从地球带来的材料,致力于持续的太空探索。[5]

图源《中国2098》

  除了这些矿物之外,月球上还包含着“种菜”所必须的水——“冰”。水,作为生命之源,在月球资源利用的情况下,水通常的应用包括:直接饮用、种植作物、生产氧气,还可以直接作为燃料或燃料生产的原料,是许多其他工业过程中的生命支持。

  近日,中国科学院地球化学研究所科研团队对嫦娥五号月壤样品开展研究,通过红外光谱和纳米离子探针分析,发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水。(小贴士:月球表面能通过太阳风质子与月壤矿物相互作用,使部分质子能进入矿物颗粒内部的缺陷中,并与氧离子相结合来产生OH-甚至是H2O,且这部分 OH- /H2O相对稳定。[6])该研究证实了月表矿物是水的重要“储库”,为月表中纬度地区水的分布提供了重要参考,也是我们探索月球资源的新一步。[7]

月球极区水冰物质含量分布图 [4]

  人攀明月不可得,月行却与人相随。目前,太空资源开采的国际法还很不完善,太空资源的开发原则是:谁先拥有,谁先开发[8],在我国科学家的努力下,我国的航天航空事业已经走在了世界前列,天高地迥,觉宇宙之无穷,月球只是人类走向外太空的第一步,星辰大海正在前方!

  我们在这里准备了几个与本文密切相关的问题,大家可以通过留言回答。前两位全部答对者可以获得月球灯一个哦~(文章发布后24小时内作答有效;24小时后将在评论区精选所有作答的评论,并公示中奖者)

  说说嫦娥五号发现新矿物

  列举三个月壤中常见资源

  月壤中的太阳风成因水的原理

  Reference

  [1] 我国首次发现月球新矿物“嫦娥石”成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家.中央纪委国家监委网站.2022-09-09.14:00 .https://www.ccdi.gov.cn/yaowenn/202209/t20220909_217015.html

  [2] 月球的起源.中国科学院动力大地测量学重点研究室

  [3] 高楠 许英奎 罗泰义.月球矿产资源勘查进展及展望[J].矿物学报. 2022,42(02).

  [4] 高楠 许英奎 罗泰义.月球矿产资源勘查进展及展望[J].矿物学报. 2022,42(02).

  [5] 刘进军 郭建成 蒋峥.论月球的矿藏、资源与利用[J].卫星与网络. 2021,(09).

  [6] 欧阳自远 曾献棣 唐红 李雄耀 王世杰.月表太阳风成因水的研究现状和意义

  [J].地球科学进展. 2018,33(05)

  [7] 我国科学家发现嫦娥五号月壤矿物中存在高含量的水.央视新闻.

  [8] 兰顺正.中俄签署备忘录,合力推进月球开发.[J].世界知识. 2021,(08)

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