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    中國科學院院士歐陽自遠:人們為什么要去月球?

    “17”代表著中國的探月工程已經歷了17年的風雨,“3”代表著中國在執行探月任務時采取了“繞”“落”“回”的三步走戰略,“1”代表著這些工作都是一次完成的。

    《中國經濟周刊》 記者  賈璇

    月球作為地球唯一的天然衛星,也是距離地球最近的天體。古代的天文學家很早就開始觀測、研究月亮,1609年,伽利略首次用天文望遠鏡觀測月亮,使人類對月球正面的地形開始有詳細的了解。

    1957年,當人類正式進入太空開始深空探測之旅,月球便成為首站。據統計,從1959年至2017年年底,人類共發射132個月球探測器,其中美國60個、蘇聯64個、中國4個、日本2個、歐洲1個、印度1個,成功率約為50%。

    2004年,中國啟動月球探測工程,命名為“嫦娥工程”。該工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段,將獲取月球表面三維影像、分析月球表面有關物質元素的分布特點、探測月壤厚度、探測地月空間等。

    嫦娥工程主要包括“繞、落、回”三大目標。目前,嫦娥一號和二號完成了“繞”,嫦娥三號和四號實現了“落”和“巡”,嫦娥四號在全球首次實現月背軟著陸,嫦娥五號圓滿完成月球采樣返回任務,實現了我國探月工程重大科技專項三步走發展戰略。

    探月工程是我國繼人造地球衛星、載人航天飛行取得成功后,航天事業發展的又一座里程碑。

    時至今日,世界航天進入創新發展的快車道,空間科學正孕育著重大發現,空間技術快速迭代突破,空間應用領域不斷拓展,深空探測成為科技競爭的制高點,太空經濟成為新興經濟業態。

    人類為何要去月球?如何開發和利用月球?近日,中國科學院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠在《百年科技強國夢》錄制現場,講述我國探月奧秘。

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    從研究別國的0.5克,到自己取回1731克月壤

    2004年1月24日,我國正式批準嫦娥一號探月計劃,歐陽自遠出任該計劃的首席科學家,負責制定首次月球探測科學目標設計,以及規劃第二、三期月球探測的方案與科學目標。

    在歐陽自遠心中,嫦娥一號的探月經歷至今難忘。“嫦娥一號是我們第一次離開地球到另外一個天體上,肯定印象是最深刻的。”

    歐陽自遠回憶道,當時的嫦娥一號并沒有直接飛向月球。他說:“就像奧運會的鏈球運動員,先把球使勁地攪動,松手后球就能跑得飛快。嫦娥一號就像鏈球繞著地球飛,一邊飛一邊加速,大約飛三圈后沖出地球,飛行了大約14天才到達月球。”

    在整個探月過程中,被月球捕獲是任務最關鍵時刻之一。歐陽自遠回憶,當時自己和月球探測一期工程的總設計師孫家棟一起坐在飛控大廳內。

    “當嫦娥一號被月球捕獲,我咬著他耳朵說,是不是再檢查一遍,真的抓住了?幾分鐘后,經過工作人員的核查、驗證,軌道傳回的各方面數據都顯示成功了,大廳里的掌聲‘嘩’地響起,我們兩個老頭激動得抱頭大哭。”歐陽自遠說,當時自己回答記者采訪時,也只是不停地講:“繞起來了,繞起來了……”

    2008年11月12日,嫦娥一號拍攝的中國第一幅全月影像圖震撼發布,這是人類歷史上第一次包含了月球南北兩極的高清全月圖。

    月球還有很多未解之謎,它如何形成、背面什么樣、上邊到底有沒有二戰轟炸機等。

    承載著無數科學研究者的期待,2020年11月24日4時30分,探月工程嫦娥五號探測器在文昌航天發射場成功發射,開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。

    經過23天的太空之旅后,12月17日凌晨2時左右,嫦娥五號返回器攜帶1731克月壤樣品成功著陸,標志著我國首次月球采樣返回任務圓滿完成。

    45 由嫦娥五號探測器采集的月球樣品 (月壤)

    由嫦娥五號探測器采集的月球樣品 (月壤)

    此次帶回的月壤樣本重量也有著特殊意義。其中,“17”代表著中國的探月工程已經歷了17年的風雨,“3”代表著中國在執行探月任務時采取了“繞”“落”“回”的三步走戰略,“1”代表著這些工作都是一次完成的。這也是繼1976年蘇聯月球20號探測器最后一次月球采樣返回,人類歷經44年再獲月球樣品。

    值得一提的是,嫦娥五號采樣位置明確,有可能采集到更多來自不同地質背景、形成于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,都有重要意義。

    7月12日,國家航天局探月與航天工程中心舉行了嫦娥五號任務第一批月壤發放儀式,來自13所科研機構的31份申請通過審核。21份樣品總計17.4764克,其中包含6份光片樣共157.6毫克,13份巖屑樣共868.8毫克,2份粉末樣共16.45克。

    月球樣品專家委員會主任、中國科學院院士朱日祥曾表示,對嫦娥五號帶回樣品的科學研究,主要有三方面成果值得期待:一是人才培養,過去中國科學家基本拿不到阿波羅月球樣品進行研究,現在我們可以培養自己的研究隊伍;二是此次采樣區經過大量研究與論證,該區域樣品有可能對月球演化的動力學過程有突破性認識;三是對我國后續月球與深空探測具有重要的指導作用。

    1978年,美國國家安全事務顧問布熱津斯基訪華時,曾贈送中方一份阿波羅登月時帶回的月球巖石樣品,重量僅1克。

    當時,歐陽自遠下決心用0.5克樣品組織各方實驗力量進行研究。經過4個月的全面解剖與分析,陸續發表了14篇學術論文。“月亮在一段時間內的整體變化、環境和內部活動歷史,我們都知道了。一名美國官員還曾經問過我,什么都沒告訴你們,你們怎么全都知道了?”歐陽自遠說。

    2014年11月,國際小行星命名委員會將一顆由國家天文臺發現并獲得國際永久編號的第8919號小行星正式命名為“歐陽自遠星”,以表彰歐陽自遠對中國月球探測事業所做出的杰出貢獻。

    21世紀的“波斯灣”

    自嫦娥工程立項以來,17年里,“嫦娥”六戰六捷。每一次任務的成功都充分展示我國探索星球的能力。

    同時,月球上特有的礦產資源和能源是對地球上礦產資源的補充和儲備,將對人類社會的可持續發展產生深遠的影響。

    模仿太陽聚變反應原理造一個“太陽”,被科學家們認為是解決人類能源危機最佳方案。核聚變指通過一定條件將兩個或數個較輕的原子核(目前主要用氫的同位素氘或氚),融合成一個較重的原子核,聚合過程中會損失部分質量,轉化釋放出巨大能量。

    月壤中含有大量通過太陽風吹來的氦-3,它是安全、清潔又高效的核聚變發電燃料,可以為核聚變發電提供便宜、無毒和無放射性的能源,被科學界稱作“完美能源”。

    據歐陽自遠估算,全世界一年的總發電量只需消耗約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。“曾經有位俄羅斯的首席科學家和我說,假如中國用氦-3這種能源,全國一年大約只要8噸就夠了。”

    目前,據估計月壤中有100萬噸氦-3,可滿足地球1萬年的發電需求。因此,月球也被稱為21世紀的“波斯灣”。

    針對月壤中氦-3資源的研究,正在依托嫦娥五號帶回的月壤樣品展開。

    7月16日,中核集團在核工業地質研究院啟用月球樣品??蒲腥藛T將開展月壤成熟度、礦物組成、氦-3豐度及提取參數等實驗研究,為未來月球氦-3資源潛力評價與開發利用提供基礎數據。

    核地研院月球樣品使用責任人黃志新研究員認為,此次通過研究,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問題,初步闡明嫦娥五號月壤樣品中氦-3的富集特征及機制;厘定嫦娥五號月壤樣品中氦-3的逸出特性和最佳提取溫度;查明月壤樣品的主、微量元素含量特征及對氦-3含量的制約等。

    此外,月球沒有大氣和天氣變化等,太陽光可直接照射在其表面,這也更加利于太陽能的高效利用。

    歐陽自遠提到,日本科學家曾做出設想:在圍繞月球1.1萬公里長的赤道建一條400公里寬的太陽能發電帶,它將能產生13萬億千瓦太陽能,并且連續不斷。電能轉化為微波束和激光束傳回地球并重新轉換為電能。

    人類深空探測轉運站——月球基地

    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衛星,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。

    “現在大家都知道,月球是人們去火星最好的轉運站。”歐陽自遠解釋說,在地球發射火箭需要抵抗地球引力,而月球的引力僅為地球的六分之一,如果發射同樣的火箭,在地球上需要搭載6噸燃料,在月亮上僅用一噸。如果從月球出發探測火星等地,把月球當作轉運站,更加省時省力。

    歐陽自遠指出,世界上任何一個國家在深空探測時,都會選擇先探測月球再探測火星。相較于月球,地球到達火星路途更加遙遠,火星氣象變化更大,探測難度更艱難,需要更高的技術。“比如從地球到火星距離更遠,萬一氣象有變化會給任務帶來更大難度。另外,傳送數據和指揮信息也會有更長時間的延遲,這些都比探月困難”。

    此外,歐陽自遠表示,探月工程還可以實時監測地球信息,包括大氣全球變化等,嫦娥三號、嫦娥四號均進行過相關工作。

    據國家航天局消息,“十四五”時期,我國將發射嫦娥六號、嫦娥七號探測器,實施月球極區環境與資源勘查、月球極區采樣返回等任務。

    對此,中國探月工程三期總設計師胡浩曾公開表示,嫦娥六號任務擬瞄準2024年前后實施,目前正論證以月球背面南極—艾特肯盆地為著陸點開展采樣返回和探測。2030年前后中俄計劃合建國際月球科考站。

    隨著空間技術的進步和深空探測的深入,探月工程也在促進相關產業發展。

    1961年至1972年,美國組織實施了一系列載人登月飛行任務“阿波羅”計劃,目的是實現載人登月飛行和人對月球的實地考察,為載人行星飛行和探測進行技術準備。

    大膽浪漫的計劃卻帶來出人意料的經濟效益。

    歐陽自遠曾表示:“‘阿波羅’工程投資254億美元,計劃2萬家企業、200多所大學、80多個科研機構參與,總人數超過40萬人,是當時規模最大、耗資最多的科技項目之一。”

    該工程導致上世紀60至70年代產生了液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、計算機等一大批高科技工業群體。

    隨后,該設計中的技術進步成果向民用轉移,帶動了整個科技的發展與工業繁榮,其二次開發應用的效益,遠遠超過“阿波羅”計劃本身所帶來的直接經濟與社會效益。據美國Chase研究會測算,該計劃的投入產出比達到了1∶14。

    除了探尋月球的奧秘,歐陽自遠還提到了“嫦娥”的“兼職工作”。

    “嫦娥二號當時帶足了燃料。在完成計劃任務后,燃料還剩很多。我們當時想,那就讓它干點別的活兒。”

    2011年6月9日,嫦娥二號正式飛離月球,前往日地拉格朗日L2點,開啟中國深空探測的新征程。“嫦娥二號就一直保持面向太陽,監測太陽的活動,這也是我們從來沒有過的研究?,F在嫦娥二號仍在環繞太陽飛行,2029年,它還要回到地球附近。我們期待它一路平安。” 歐陽自遠說。

    (本文刊發于《中國經濟周刊》2021年第15期)


     

    2021年第15期《中國經濟周刊》封面

    2021年第15期《中國經濟周刊》封面

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