長江網12月2日訊（首席記者楊佳峰）昨晚11時11分，嫦娥五號落月，將正式開始持續約2天的月面工作，採集月球樣品。
這是武漢參與研究、助力完成的工作。早在10年前，中國地質大學（武漢）肖龍教授團隊、段隆臣教授團隊和李大佛教授團隊接受任務，為嫦娥系列任務研製模擬月壤、繪製採樣點地質地貌地圖，研究使用何種鑽探方法取樣、採用何種型號鑽頭。十年磨一劍，他們走過了少有人知的科學攻關之路。
肖龍教授向記者展示著陸點月球月海位置。記者楊佳峰 攝
10年模擬，研製模擬月壤100噸
「月面採樣能否成功的關鍵因素之一，是要了解月壤的性質，研製出與實際月壤相似的模擬月壤。」11月26日，剛剛從文昌發射現場回到武漢的中國地質大學（武漢）行星科學研究所肖龍教授，沒有歇息便帶長江日報-長江網記者來到研究所看他的罈罈罐罐——一瓶瓶的模擬月壤。「別看它們也是土，但來歷可不一般。」他對即將到來的嫦娥五號月面取土作業充滿自信。
今年57歲的肖龍教授是嫦娥五號鑽取子系統飛控專家組成員，參與了嫦娥五號取土作業的兩項關鍵任務——模擬月壤和採樣點地質地貌地圖繪製。10年間，他帶領團隊北至東北、南到海南，收集各種巖石和土壤，研製出成分、顆粒、形態等都與月球相似的模擬月壤，先後提供了100多噸模擬月壤用於月面採樣工程技術驗證。
肖龍教授見證了嫦娥三號、嫦娥四號的現場發射；在嫦娥五號的發射現場，火箭升空的一刻，他流下了熱淚。「作為參與者，我親身感受到我國探月工程一步一個腳印向前邁進，內心怎能不激動！」肖龍說，早在2011年，他和團隊就開始著手為嫦娥五號研究可供實驗的月球土壤樣本。由於缺乏真實樣本數據，他們只能用有限的隕石和遙感數據反覆進行分析，用不同的材料進行配比嘗試。
為保障模擬月壤的高仿逼真，肖龍帶領團隊首先調研了「阿波羅載人登月計劃」採集的月壤樣品性質，獲得了實際月壤的相關參數，以及隨深度變化的月壤剖面結構。團隊根據實際月壤的可能狀態和月面低重力的工作環境，選取了不同類型的玄武巖、火山灰、斜長巖、鈦粉等數十種與月壤性質較為相似的地球巖石和礦物，進行破碎加工，製造出成分、顆粒形態等都與實際月壤相似的原料。
在肖龍教授的實驗室兼辦公室，記者發現桌面上放置最多的就是各種類型的模擬月壤，記錄了這一團隊10年的奮鬥歷程。「現在擺這裡的已經很少了，最多時房間裡根本擺不下，都移放到車庫裡了，同樣也是塞得滿滿的。」肖龍說，試驗需要用到大量的巖石、土壤等原材料，實驗室放不下，他把自家的車庫改為了臨時倉庫。
肖龍教授配製出的各種模擬月壤樣本。記者楊佳峰 攝
10年來，肖龍教授團隊共研發出60多個種類的模擬月壤，經過反覆篩選，其中10多種被最終確認為試驗用月球土壤。
繪製著陸點地質地形地圖，為「嫦娥」指路
如同打仗需要戰場地形圖一樣，嫦娥五號降落月表同樣需要一份地圖，只有廓清著陸點的地質地貌，才能確保「嫦娥」著陸的安全。因為涉及月面取土作業，這份地圖還必須涵蓋落點附近的地質構造，以滿足嫦娥五號的工作需求。
據悉，嫦娥五號將實現月球區域軟著陸及採樣返回，其預選著陸區位於月球正面風暴洋北部，北緯41°～45°，西經49°～69°區域，該區域東西長約450公裡，南北寬約120公裡，總面積約55000平方公裡。
「著陸點的選址最主要考慮兩點，一是工程的安全性，二是要有重要的科學價值。」肖龍透露，此處採樣點其他國家的探測器從未到訪過。
這麼大面積的月海地質地形地貌地圖如何繪製？作為採樣點選址的一項關鍵工作，肖龍教授帶領團隊在結合以往國內外月球地質填圖資料和填圖規範的基礎上，建立了利用多源遙感數據開展月球地質填圖的方法和流程，包括落月點地形地貌、石塊分布、月壤厚度，以及撞擊坑統計定年（通過統計單位面積中撞擊坑的大小和數量，來計算該區域的年齡）；並採用高程數據計算預選著陸區山體陰影、坡度，月溪的地形特徵和月海玄武巖厚度；採用多光譜數據反演鐵鈦含量、計算光學成熟度、合成假彩色影像和月壤粒度。
經過10年努力，肖龍教授帶領團隊順利完成並提交了這份複雜的地圖——《嫦娥五號預選著陸區1:25萬地質圖》，覆蓋了嫦娥五號預選著陸區，基本查明嫦娥五號預選著陸區的地質框架和地質事件序列，為嫦娥五號著陸提供了大比例尺月球地質圖。
嫦娥五號預選著陸區地質填圖成果可以為探月工程提供基礎地質支撐。肖龍告訴長江日報-長江網記者，通過對月海玄武巖物質成分、玄武巖噴發歷史和撞擊坑等著陸區域專題研究，確定了地層切割關係、成分和礦物組成，釐清了該區域的地質演化歷史。
據悉，《嫦娥五號預選著陸區1：25萬地質圖》完全覆蓋嫦娥五號預選著陸區，彌補了預選著陸區沒有大比例尺月球地質圖的空白，是我國嫦娥五號計劃重要的參考資料。該地質圖表現了預選著陸區範圍內各種地形、地貌、地質信息，以及主要地質單元的分布、年齡、巖性、化學成分、礦物組成等特徵。豐富詳實的地質圖面內容可以為嫦娥五號工程選擇一個樣品價值最為豐富、實施難度適中的著陸點提供依據。同時，也為返回樣品的研究提供了不可或缺的地質背景信息。
為鑽取月壤，設計螺旋鑽進方案
月球上沒有空氣、沒有水，取月壤的鑽頭要鑽進月表2米深，在高速旋轉下鑽頭該如何散熱？除肖龍教授參與嫦娥五號探月工程鑽取子系統外，中國地質大學（武漢）段隆臣教授團隊和李大佛教授團隊參加了部分鑽探方案設計和鑽探模擬試驗等工作。
自2010年便參與月球採樣研究的段隆臣教授介紹，在地球上模擬月球的採樣試驗，過去沒有過，難度很大。月球鑽探的最大不同是採樣環境不一樣，月球上是真空的，重力環境也發生改變，這是不利的一面；有利的一面是月球引力只有地球引力的六分之一，機械設備消耗的功率較小。此外，在地球環境下，鑽頭鑽進往往會使用冷卻液，給鑽頭降溫才能繼續工作，而月球上沒有空氣、水，鑽頭在高速運轉中產生的高溫無法散熱，必然影響鑽頭工作。
在模擬月壤的參與下，段隆臣教授帶領團隊經過理論計算，確定在月球上鑽探2米需要的動力儲備，並通過低密度的月壤模擬低重力效果，經過反覆嘗試，最終選定螺旋鑽進方案。段隆臣透露，在鑽頭的選取上，李大佛教授團隊也進行了很多有益嘗試，但李教授沒有等到嫦娥五號升空的這一天就去世了。
「鑽頭鑽進後，月壤的一部分會由鑽頭的螺旋葉片帶出月表，另一部分月壤通過空芯鑽杆帶回地球。」段隆臣團隊成員高輝副教授向記者描述鑽取月壤鑽頭的工作原理：螺旋葉片帶出月表的月壤可以有效降低鑽頭的溫度，不需要再進行冷卻也能確保鑽頭正常工作。
高輝介紹，嫦娥的取土作業採用表取和鑽取兩種方式進行。按照計劃，表取1.5千克，鑽取0.5千克。表取由機械臂採用挖、夾、鏟等動作完成。表取的機械臂相當於機械手，異常靈活，配合計算機視覺系統，可以實現自由抓取。若遇到大型巖石或者硬度較高的月表，力量超過機器人設計限度，鑽取無法進行，這時候將更多依賴於表取。
對話肖龍教授>>>
在2千克月壤樣本中或許能找到來自地球的隕石
「這是地球上找到的一塊隕石，但是它來自月球。」肖龍教授手拿一塊薄石片說。記者楊佳峰 攝
記者：作為研究行星的科學家，您首次接觸月壤是什麼時候？它和地球上的土壤有什麼不同？
肖龍：2008年，我在美國亞利桑那州立大學做訪問學者時，參加了當地一個寶石展銷會，會上有各種稀罕石頭，我第一次見到了月球隕石。自己掏腰包，我買了一塊小薄片，0.1克月球隕石。隨後研究發現，這塊小石片表面有燒黑的熔殼，有包含月球上的特殊的元素和同位素，甚至可以測定居地年齡（在地球上待了多少年），完全可以確定它來自月球。當時通過這個0.1克月球隕石，我進行了研究，也發表了論文，與地球土壤的區別主要是微量元素和氧同位素不一樣。
記者：在中學教材上有一篇課文，說到月球的起源，月球究竟是地球的妻子、姐妹還是女兒？通過2千克月壤樣本可不可以判斷出來這種關係？
肖龍：月球有很多地球的基因，大部分科學家都認為月球是地球的女兒。月球形成於地球的大碰撞中。在約46億年前，地球正在形成之際，遭到其他天體的碰撞，碰撞導致的大量地球碎塊拋向太空，並圍繞地球旋轉，最終這些碎塊逐漸形成了月球。如果說地球的年齡是46億年，那麼月球的年齡就稍微晚一點，所以說月球是地球的女兒。
嫦娥五號帶回來的2千克月壤樣本可以讓我們獲得更多的同位素組成，但很難從中找到月球是地球女兒的直接證據。理論上，地球上有來自月球的石頭，月球上有來自地球的石頭，但目前月球上還沒有找到來自地球的隕石，或許在2千克月壤樣本中能找到來自地球的隕石。
記者：此前，美國和蘇聯已經從月球帶回大量月壤做研究，這次中國從月球取2千克的月壤在科研上價值何在？
肖龍：這次我們在月球上的採樣點與美國和蘇聯的都不一樣，他們採過的地方我們不去，這次嫦娥五號預選著陸區位於月球正面風暴洋北部月海一個月球火山口附近。之所以選擇這個地方，是因為美國通過阿波羅飛船帶回的月壤研究發現，這些月壤都是31億年前形成的，由此他們認為31億年前月球就「死」了，月球是個「死」行星。
月球火山口附近的月壤更複雜，科研價值更大。通過對月球表面圖像的研究，時間越久其表面遭隕石的撞擊越多，反之越少，這就是「撞擊坑統計定年法」。依據此法，在月海中的火山巖應該晚於20億年前，在10億到20億年間。若這種推算成立，則證明月球20億前還有「生機」，而不是30億前月球就「死」了。這種推斷是從月球遙感而來的，但缺乏來自月表的證據，假若2千克的月壤樣品能證明這一點，科學家可以重新思考月球演化的歷史。
2千克的月壤樣品還可以進一步驗證「撞擊坑統計定年法」的可靠性。假若撞擊坑統計定年法的年代劃分證明是對的或者錯的，月海中的火山巖出現在15億年或者18億年，那麼一些研究成果可以獲得更精準的校正，月球的撞擊年代曲線可能會發生變化。這種方法也可以運用到其他星球的研究上。從這一角度講，在月海中取土2千克的價值是相當大的。
記者：月球取土工程的安全性、可靠性如何保障，若失敗有沒有備選方案？
肖龍：嫦娥五號探測器將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸。工程方面，主要考慮地形、地貌、坡度、光照和通訊條件等因素。科學方面，著陸點要遠離以往著陸採樣區，以獲得與以往不一樣的樣品，能回答以往沒有解決的科學問題。呂姆克山東部區域，有月球上最年輕的火山巖，這裡的樣品研究意義很大。
月球取土採用的是全過程無人操作，完全依賴於傳感器的反饋進行操作，也有失敗的可能。如著陸點的小環境不好，鑽頭在鑽進過程中遇到比較堅硬的巖石，導致無法鑽進；月表月壤比較緊實，導致抓取月壤困難；這些都有可能發生。但是，我們進行了10年的月球取土的模擬實驗，無論是著陸區地質地貌地圖，還是鑽探機械設備的模擬取土實驗，都作了深入研究，月球取土成功是有很大把握的。
記者：嫦娥五號帶著月壤樣本返回地球後，您有沒有可能獲得部分月壤樣本進行研究？未來還有新的研究方向嗎？
肖龍：嫦娥五號取到樣本回來以後，我們會積極申請獲得月壤樣本，用由中國人自己採集的月球樣本進行研究，不再受限於其他一些國家的制約。對於我們國家來說，這是行星科學發展的一個機會，也是中國貢獻世界的一個很重要的方面。
我和我的團隊已經著手於火星土壤和巖石的研究。未來，我們希望為中國的火星探索貢獻自己的力量。