月球样品能回答什么问题？

2020年11月24日，长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场发射升空。12月17日，返回器携带月球样品着陆地球，为我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略画上一个圆满的句号。

九天揽月星河阔，十六春秋绕落回。肖龙是中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授，嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员，负责探月三期关键技术预研项目月面采样试验用模拟月壤的研制。他为嫦娥系列任务研制模拟月壤近10年，总共为工程单位提供了100多吨的模拟月壤。近期他带领的团队还研制了用于材料加工（如3D打印）的模拟月壤，以及模拟火星土壤等，为月球基地建设、火星探测、地外资源利用等提供支撑。

月球探测器发射升空成功之后，本刊特约记者专访了肖龙教授。

月面取样如何克服重重挑战

南风窗：嫦娥五号的采样点选择在风暴洋北部吕姆克山脉附近的位置，是考虑到了哪些因素？

肖龙：在选定采样点位置的时候确实经历了很长时间斟酌，主要是基于两大方面的原因。

一是从工程技术上来讲，与前几次嫦娥探月项目不同，嫦娥五号新增了采样和返回的任务，工程难度大大增加，需要综合考察制约工程的一系列条件。具体包括月面的平整度，如地形、地貌、坡度等，以及光照条件和地月之间直接的通讯条件等等。因为在月面工作要借助太阳能发电供电，采样点必须保证良好的光照；而此次指挥月面工作的信号没有中继卫星进行协同，采样点还需要选择在通讯条件良好的地方。

另一个原因侧重科学认识层面，此次采样任务带回的月球样品须要不同于以前美苏两国已返回样品。此前，美国阿波罗号共计带回381.7公斤样品，苏联也带回300多克样品，这些样品大都取自月球正面的暗色区域（称为“月海”），并且都是形成于30亿年以前的古老火山岩等。为了与美苏两国的样品有所区别，我国选择了风暴洋北部吕姆克山脉附近这样一个区域，据分析这里的火山岩应该更年轻一些。

南风窗：月面采样过程中将遇到哪些困难？

肖龙：此次采样任务需要通过钻探的方式获得表面以下一定深度的岩石，在月球打钻和在地球打钻相比难度大大增加。例如在地球打钻需要添加各种冷却剂，但在月面打钻是没有冷却剂的，这就需要考虑散热的问题，否则钻头很容易被烧毁。并且在月球工作的用电功率是有限制的，钻头也需要尽量做小，这对于钻取系统的性能提出了严苛的挑战。

月球表面物质的性质也有诸多不确定性。根据美国阿波罗号采样的先例来看，因为采样点在年老的火山岩地区，风化程度高，月壤整体比较细粒。但此次任务在年轻火山岩区域取样，风化程度相对低，月壤中也可能分布一些颗粒较大的石块，我们的钻头一旦打到这些大颗粒物质，钻探失败的概率也将大大增加。

南风窗：针对这些难题，你在参与钻取系统设计的过程中，采用了哪些工程创新克服这些困难？

肖龙：需要做大量的实验，唯一可行的方案是在地球上模拟月面钻探的场景。地球表面的岩石土壤跟月球表面是不一样的，我们要研制出一些与月壤差不多的物质用于钻探取样试验。

首先是对阿波罗号返回的样品进行调研，研究阿波罗号取样获得的月壤剖面和岩性；还需要结合月球遥感探测数据，如月球表面的光谱、粗糙度以及热物理性质等一系列特征，对嫦娥五号着陆区月壤的物理化学性质作出大致判断。再利用地球上的自然岩石和矿物，加工配出一些与月壤相近的物质，称为模拟月壤，提供给工程部门做试验。

在试验过程中，会设置各种各样的工况，比如分别使用比较均匀的细粒模拟月壤，或在细粒月壤里掺入大颗粒的石块，研究钻头在里面钻进的速度、功率、发热情况。类似的模拟试验已经做了上千次，基本把各种可能出现的情况都摸底清楚了，这样就可以针对不同的情况来设定钻探的工艺参数，设计更多备选方案确保任务顺利完成。

南风窗：此次带回的月球样品将被怎样处置？

肖龙：处置的流程应该跟阿波罗号差不多，样品落地以后将交由专门的部门负责处理和保管，我们国家已经建立了一个专门的实验室负责集中处理，待飞行器落地后，月壤样品将在非常严格的操作环境里解封，进行一系列测量、分类、编录、归档等工作。

未来这些月球样品将有多个用途，其中一部分样品将会被长期或永久保存，一部分样品将用于科学研究，一部分将存放于科技馆博物馆用于科普教育，还有一部分将作为国家礼物用于国际交流，等等。

月球样品能够回答哪些科学问题

南风窗：与美国和苏联早年带回的月球样品不同，嫦娥五号这次带回样品对认识月球有怎样的科学意义？

肖龙：此前美国阿波罗号和苏联的月球样品是从月海中采集而来的，主要为火山喷发形成的玄武岩和高地斜长岩。通过年龄测算发现这些样品形成于 30亿年之前，这意味着月球火山活动在那个时期基本结束，此后月球成为一个死气沉沉的“死星球”。

地球早期的岩石和矿物已经被后期改造得面目全非，而在月球上被保留得很完好，某种程度上来讲，如果我们把月球形成模型建立完整了以后，对于理解早期地球的演化非常有帮助。

但是随着后续各国探月工作的开展，月球表面的遥感影像数据越来越清晰，发现月面有些地区的火山岩可能比阿波罗采样点年轻得多，可能在15亿年左右，都分布于风暴洋地区。但目前，这些疑似年轻的火山岩仅仅依靠“撞击坑统计定年”这种间接方法给出时间信息，必须要有真正的实物样品的测年数据加以验证。

如果一旦被证实，科学意义就非常明显，说明月球的火山活动持续时间将被大大延长，将颠覆过去对月球演化的认识，月球可能比我们想象中“活跃”得多。

南风窗：人类对月球的研究，对认识地球有怎样的启示？

肖龙：地球和月球的物质有一定同源性，并且在形成初期的演化环境较为接近，地球早期的岩石和矿物已经被后期改造得面目全非，而在月球上被保留得很完好，某种程度上来讲，如果我们把月球形成模型建立完整了以后，对于理解早期地球的演化非常有帮助。

不过，月球初期的演化还是和地球有一些差异，地球的早期是不是和月球一样也经历了“岩浆洋事件”尚属未知。如果地球也有“岩浆洋事件”，那为什么还没找到跟月球一样的斜长岩质古老地壳？同时，地球最古老的地壳是怎么形成的至今都是地质学的研究前沿。

由于月球几十亿年来“死气沉沉”缺乏活动，那么太阳风作用于月面的信息就可以被连续不断地保存在月壤里面，通过分析月壤剖面的痕量物质变化，就可以反演出40亿年来的太阳活动变化。这样一来，和月球处在相同位置的地球，受太阳活动的影响也会被更好地认识，对解释地球表面古气候、古环境、古生物演化起到一定启示。

另外还有研究认为，月球不仅受到太阳风的作用，还受到地球风的作用，当月球位于地球外侧（相对于太阳）的时候，太阳风会将地球的一些物质吹落到月球上。另外，早期的撞击作用还可能使地球岩石落到月球上，如果在月球表面找到来自地球的陨石，就可以还原一些地球早期的信息。

月球资源将如何利用

南风窗：中国探月工程下一步围绕月球物质资源和空间开发这些领域，还有哪些布局？

肖龙：嫦娥五号已经顺利结束任务返回地球，但绕、落、回只是我国探月任务的第一阶段，后续将会布局一系列月球物质和空间资源评价和工作。

下一阶段，中国的探月任务将可能围绕月球极地地区展开。嫦娥六号是嫦娥五号的备份，它的任务也是一次采样返回，这一次采样可能会是月球南极，重点回答月球南极的水冰问题，采集一些可能含冰的土壤。后续的嫦娥七号、嫦娥八号也可能继续规划为极区探测任务，与之相关的我们国家倡导的国际月球科研站，也有可能布局在南极。

将国际月球科研站布局在南极，一个最主要的原因就是极区可能有水冰，这也是月球上目前公认的最有可能被开发利用起来的一个资源。

国际月球科研站以无人的科研站为主，将采用国际合作的形式，充分利用月球的特殊环境展开科学研究、工程技术、农业、新材料等月面研究工作。虽然科研站还没有正式立项，但作为一个重大科学工程的预研已经开始了。

南风窗：嫦娥五号的月球样品引发了大家对氦-3这种可控核聚变原料的关注，一些观点认为，未来如果将月壤的氦-3加以利用，将解决地球的能源供应问题。目前全世界对月壤氦-3的研究处于怎样的水平，此次嫦娥5号取样是否为开发氦-3提供指导？

中国人参与阿波罗样品研究也不是绝对没有途径，可以通过第三方合作的方式如跨国的科研团队来参与部分研究工作，我们嫦娥五号的样品未来也可能是类似的。

肖龙：氦-3主要跟太阳风的注入有关系，并不是月球自生，在月面上，时间越老的地方氦-3可能积累得越多。此外氦-3的分布与月壤中的特定成分也有关系，富钛的月壤氦-3成分会更高一些。显然，嫦娥五号此次选择年轻地带的月壤采样，并不是为了氦-3而去。

理论上氦-3确实有很多的潜在的价值，可以作为可控核聚变的原料。但是氦-3的提取是一个极其复杂的过程，它的丰度要达到一定含量才能会有提取利用的可能，目前人类技术水平还远远达不到开发、运输、利用的程度，从实际应用的角度来讲现在还为时尚早。

南风窗：在月球空间开发利用方面，你建议中国未来的月球基地可以建设在熔岩管中，其利用前景如何？

肖龙：由于月球表面昼夜温差巨大，宇宙辐射强烈、微陨石撞击密集，月球基地的建设需要相对稳定的内部环境，可以充分利用月面的熔岩管中的空间进行月球基地建设。

所谓熔岩管，是在熔岩流内部自然形成的管道，当液态的熔岩流流动时，由于表面冷却较快，形成固体硬壳，在表层硬壳的保温作用下，其内部温度高、流速快，从而形成中空的管道。根据月球遥感探测信息，在月球表面发现了很多疑似熔岩管出口的构造，考虑到月球的重力环境和月球玄武岩的喷发的速度，它的地下空间要比我们地球熔岩管空间还大。

熔岩管内的温度基本是恒定的，能够阻挡太阳风、宇宙射线和微陨石撞击，是建立长期的月球基地的理想环境。

南风窗：中国和美国的月球探测在未来是否会出现竞争的态势？中国应该持以什么样的态度？

肖龙：中国对月球科学研究的态度是开放的，但是现在美国政府禁止 NASA等机构与中国的双边直接合作，目前还不知道禁令会不会妨碍到具体科学家的参与。不过，美国阿波罗号的样品对欧洲及一些国家是可以开放申请的，中国人参与阿波罗样品研究也不是绝对没有途径，可以通过第三方合作的方式如跨国的科研团队来参与部分研究工作，我们嫦娥五号的样品未来也可能是类似的。