松山湖材料實(shí)驗(yàn)室啟動月壤物性研究及月壤3D打印

來源：南方日報


松山湖材料實(shí)驗(yàn)室本批次領(lǐng)取月壤樣品共約0.85克，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室供圖

從嫦娥奔月的浪漫傳說，到舉頭望月的家國情思，再到上九天攬?jiān)碌膲阎竞姥裕�月亮始終在中國傳統(tǒng)文化中有著獨(dú)特意涵。2020年12月，嫦娥五號探測器圓滿完成月球樣品采樣返回任務(wù)，讓中國人得以與月亮“零距離”接觸。凝聚了無數(shù)航天人心血與智慧的珍貴月壤樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價值，一直是人們關(guān)注的問題。

作為廣東省首批啟動建設(shè)的省實(shí)驗(yàn)室之一，不久前，東莞松山湖材料實(shí)驗(yàn)室接收首批約0.85克月壤，接下來將開展一系列科學(xué)研究，未來為認(rèn)識月球與地球、月球原位資源開發(fā)利用及逐步實(shí)現(xiàn)長期載人地外生存等提供重要科學(xué)依據(jù)。

為載人登月提供技術(shù)驗(yàn)證與支持

今年7月12日，國家航天局探月與航天工程中心在北京舉行了第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，共計13家單位獲得17.4764克月壤樣品，標(biāo)志著嫦娥5號首批月壤樣品科學(xué)研究工作正式啟動。其中，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室主任、中國科學(xué)院極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任汪衛(wèi)華院士代表中國空間技術(shù)研究院領(lǐng)取了月球樣品使用證書，共獲得約8克樣品。作為重要合作單位，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在本次研究中承擔(dān)了關(guān)鍵任務(wù)。日前，研究團(tuán)隊(duì)正圍繞首批0.85克月壤樣本，開展一系列月壤物性及綜合利用研究。

“松山湖材料實(shí)驗(yàn)室有先進(jìn)的材料結(jié)構(gòu)、成分測試平臺，有著一批物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的資深專家和優(yōu)秀青年科學(xué)家等一流人才，利用實(shí)驗(yàn)室平臺和能力可以研究月壤的微觀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定機(jī)制等，同時還可以研究月壤在‘納米—分子—原子’尺度下的理化性質(zhì)，利用中子散射、同步輻射等技術(shù)研究月壤主要組成元素的電子精細(xì)結(jié)構(gòu)等。”汪衛(wèi)華介紹。

2019年底，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室還與錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合成立太空材料科學(xué)與應(yīng)用研究中心，圍繞多個相關(guān)課題展開研究。目前，空間材料團(tuán)隊(duì)擁有成熟的相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)積累，與研究月壤這一方向更為契合。

未來一年時間內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)將從材料角度研究認(rèn)識月球地質(zhì)、環(huán)境的歷史和演化，并在月壤物性研究基礎(chǔ)上，開展月球水冰資源收集利用、氧氣制備、金屬提煉、地外人工光合成技術(shù)，以及月壤3D打印等一系列技術(shù)研究，為我國載人登月及月球科研站建設(shè)提供技術(shù)驗(yàn)證與支持。

通過月壤研究更好地認(rèn)識地球

“我們一直生活在地球上，大部分情況下都會見到月亮，它看著離我們很遙遠(yuǎn)，但從科研角度上看，它與地球擁有同等重要地位，地球、月球?qū)φ麄�太陽系來說，彼此是最親密的、最近的鄰居�！辈牧蠈�(shí)驗(yàn)室空間材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張博研究員說道。

地球是如何形成的？地球曾經(jīng)發(fā)生過什么？為什么如今地球擁有這樣的環(huán)境？張博表示，地球的形成過程，與月球是相關(guān)的，在月壤研究中獲得的線索，將幫助人們更好地認(rèn)識地球。

近日，張博帶領(lǐng)空間材料團(tuán)隊(duì)對這珍貴的0.85克月壤開展研究，試圖通過光學(xué)顯微鏡、CT掃描等測試方法，進(jìn)一步揭開月壤在結(jié)構(gòu)、形貌等方面的神秘面紗。

“從阿波羅號取得的月壤研究成果來看，月壤中含有十多種與地球上相同的氧化物，但它們的形成歷史不一樣。在地球上存在十幾億年，和在月球存在十幾億年，是截然不同的條件，生成的結(jié)果也會有所不同，這是很有意思的地方�！睆埐┍硎�，經(jīng)過風(fēng)化、撞擊、腐蝕等，地球土壤與月壤的形狀結(jié)構(gòu)均會有所改變。據(jù)了解，過去美蘇兩國取得的月球樣本，形成年齡在32億—46億年，人類正是通過對其進(jìn)行分析，才建立起月球46億年左右的演化歷史。而與美蘇不同的是，此次嫦娥五號選擇的著陸點(diǎn)是月球一處相對年輕的區(qū)域，形成年齡大概在10億—20億年之間。

張博表示，此次中國研究的是相對年輕的月壤樣本，這既能驗(yàn)證過往科學(xué)界提出的假設(shè)，也將完善現(xiàn)有的模型，比如月球形成年代的計算等。同時，往后的科學(xué)家們可以利用這些原始數(shù)據(jù)，繼續(xù)從不同維度來分析月球，解讀歷史。

研究月壤3D打印儲備登月技術(shù)基礎(chǔ)

“由于從地球運(yùn)送資源至月球本高昂，想實(shí)現(xiàn)未來在月球開展研究和建設(shè)，有必要在月球上‘就地取材’，利用3D打印是一個潛在的好方法�！睆埐┲赋觯�目前團(tuán)隊(duì)正圍繞這一計劃開展研究，以期實(shí)現(xiàn)未來在月球上建造出與地球相似的環(huán)境和設(shè)施。

當(dāng)前，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室試圖研究月壤熔化凝固行為，發(fā)展月壤3D打印等原位資源利用技術(shù)。研究月壤的組成、顆粒徑級配等材料特征，發(fā)展月壤3D打印等原位資源利用技術(shù)，可以為今后人類居住月球儲備技術(shù)基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)希望按照月球土壤的組成成分和顆粒大小，加工成模擬月壤，為未來打印建造月球定居點(diǎn)的磚塊提供驗(yàn)證。為此，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室還計劃通過自主研制及采購相關(guān)配件的方式，制作能以模擬月壤為原材料的3D打印機(jī)。

“太空環(huán)境與地球環(huán)境截然不同，月球上可能面臨失重、無氧、無水且擁有輻射的特殊環(huán)境，研制的材料性能表現(xiàn)如何，是團(tuán)隊(duì)研究過程中需要重點(diǎn)考量的方面�！睆埐┍硎荆�這些也是團(tuán)隊(duì)在研制3D打印設(shè)備時需要克服的基本障礙，相關(guān)參數(shù)方案均需要重新構(gòu)建�！皷|莞和深圳在3D打印方面具備較強(qiáng)實(shí)力，這些相關(guān)產(chǎn)業(yè)的提升、創(chuàng)新，對我們研究會有幫助，有助于優(yōu)化我們的打印設(shè)計方案�！睆埐┱f。目前，粵港澳大灣區(qū)范圍內(nèi)有部分公司正在參與月壤3D打印技術(shù)的研制和裝備設(shè)計，實(shí)驗(yàn)室研制設(shè)備所需的零件、設(shè)備采購將來自這些公司。張博表示，大灣區(qū)雖然缺乏專門針對該研究方向的實(shí)驗(yàn)室，但具備相對全面且強(qiáng)大的科創(chuàng)實(shí)力，隨著此項(xiàng)研究的開展，將與區(qū)域產(chǎn)業(yè)很好結(jié)合。

張博表示，本次研究預(yù)計將通過嫦娥五號玻璃樣品中物相成分含量的精確測定，揭示月壤熔化和凝固規(guī)律、流變動力學(xué)行為特性、3D打印的性能和工藝方案。