上太空挖「寶」盤點地外星球採樣返回大戲

    美國宇航局（NASA）保存的一塊月球巖石    美國「起源號」太陽採樣返回探測器採集太陽風粒子    日本「隼鳥2號」小行星採樣返回探測器在龍宮小行星採樣

　　2020年，中國嫦娥五號探月器將從月球帶回約2公斤月壤，此外全球發射了3個火星探測器，掀起了火星探測的熱潮，還開展了多項地外星球採樣返回活動。例如，日本「隼鳥2號」小行星採樣返回探測器在完成對龍宮小行星採樣任務後，將於今年底返回地球；而美國首個小行星採樣返回探測器「奧西裡斯-雷克斯」也在今年10月對貝努小行星進行了採樣。地外星球採樣返回，正成為空間探測的一大熱門。  

　 帶天體樣品回地球精細研究

　　採樣返回，就是用具有採樣返回功能的空間探測器在地外星球採集樣品，然後把樣品帶回地球。目前採樣的方式五花八門，這是因為各個地外星球差異很大，所以需要不同的採樣返回方式。採樣並帶回地球的樣品也是多種多樣，可以是塵埃、顆粒、土壤和巖石等。

　　探測地外星球有三種常用方法：一是環繞探測，二是著陸和巡視探測，三是採樣返回探測。第三種主要用於對地外星球進行區域性精查，即把採集到的地外星球樣品運回地球後，供科學家在實驗室裡進行精細研究。

　　這三種空間探測方式有明顯的遞進關係，每一步都是對前一步的深化，並為下一步奠定基礎，最終達到全面、深入了解地外星球的目的。當然，對於一些小天體的探測，也可以通過一次發射先後完成環繞探測和採樣返回探測兩項任務。

　　迄今為止，國外已對月球、彗星和小行星，甚至太陽等進行了多次無人採樣返回探測。 　 

 月球採樣返回蘇聯捷足先登

　　在無人月球採樣返回探測方面，蘇聯可以說是開路先鋒，這也許與蘇聯載人登月半途而廢有關，所以轉向用無人空間探測器採集月球樣品。1970年9月至1976年8月，蘇聯先後發射月球16號、20號和24號，開展了3次月球採樣返回任務，總共帶回326克月球樣品。

　　1970年9月12日，蘇聯發射了世界第一個無人月球採樣返回探測器——「月球16號」。它高約4米，底部直徑約4米，重5.8噸，由下降級（又叫著陸器）和上升級（又叫上升器）組成。用於把裝有月球樣品的返回艙送回地球的上升級由球形返回艙、柱形儀器艙（包括導航設備和化學電池）和液體推進艙三部分組成。頂部為降落傘和下降天線，返回艙的下部是電池和信號發射裝置，中部是裝有鑽管和月壤的樣品艙。

　　「月球16號」在月面軟著陸後，用自動鑽孔機採集月球樣品，然後把樣品封裝於返回艙內，接著上升級從月面起飛返回地球，最終返回艙於1970年9月24日在蘇聯境內著陸。它從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。

　　1972年2月14日發射的「月球20號」與「月球16號」基本相同，但由於遇上了玄武巖，它只從月球阿波羅尼厄斯高地採集到了55克月球樣品。「月球24號」於1976年8月18日在月球危海東南部軟著陸。其結構與月球16號、20號一樣，但它從2米深處挖取了月球巖，並總共從月球危海獲得了170克的樣品。

　　美國地外採樣返回四處出擊

　　不算「阿波羅」對月球進行的載人採樣返回活動，美國現已對彗星、太陽和小行星等地外星球進行了無人採樣返回探測。

　　1999年2月7日,美國發射了「星塵號」彗星探測器。2004年1月2日，「星塵號」與彗星「懷爾德2號」交會，遭到數百萬彗星微粒的撞擊。在此期間，「星塵號」伸出類似網球拍的「氣凝膠塵埃收集器」來收集彗星的塵埃微粒，然後摺疊收入返回艙，貯存於容器中。全球獨一無二的「氣凝膠塵埃收集器」是由當時65歲的美籍華人科學家鄒哲設計的，當粒子撞上氣凝膠時，會立即把自己「埋」在裡面。返回地面後再尋找這些彗星的塵埃微粒。2006年1月15日,裝有彗星物質的羽毛球狀返回艙通過降落傘著陸於美國猶他州的沙漠上。

　　2001年8月8日發射升空的「起源號」太陽採樣返回探測器，在日地拉格朗日1點累計採樣850天，採集了約10至20微克太陽風粒子。2004年9月8日，探測器返回艙在下降過程中因撞地而遭到損壞，所以只收回了部分太陽風粒子。

　　「奧西裡斯—雷克斯」探測器是美國首個小行星採樣返回探測器，於2016年9月9日升空。它於2018年8月抵達貝努小行星，並在環繞貝努的軌道上展開了為期兩年的科學研究。今年10月20日，該探測器使用採樣機械臂末端的採樣器採集了60克至2000克的貝努表面風化層樣品。這個探測器採用「接觸即離」的方式採樣，這種方式省去了採樣前的著陸和固定過程。它將於2021年3月開始返回地球的旅程，計劃在2023年9月將採樣返回艙送回地球。 　 

 日本成功從小行星採樣返回

　　2003年5月9日，日本發射了世界第一個小行星採樣返回探測器「隼鳥」。它於2005年9月中旬飛抵離糸川小行星20千米高的軌道，觀測了糸川小行星表面情況，收集了其成分和地形數據。11月26日,「隼鳥」再次在糸川上著陸並完成採樣。

　　「隼鳥」是通過著陸產生的撞擊，吸入飛濺起來的碎石。由於出現了一系列故障，「隼鳥」於2010年6月13日才返回地球。不過，它使日本成為世界上首個在月球之外的原始小天體上著陸、取樣，並攜帶其樣品返回地面的國家。目前已確認探測器在糸川小行星表面採集了1500粒樣品。

　　2014年12月4日，日本又發射了更先進的「隼鳥2號」小行星採樣返回探測器。它於2018年6月進入龍宮小行星軌道。2019年2月,「隼鳥2號」首次在龍宮小行星表面採用「接觸即離」的撞擊式探測，採樣裝置採集到了不少於3克從龍宮表面彈射起的飛濺碎片和粒子，從中發現了水合礦物質。

　　2019年4月，「隼鳥2號」對另一個著陸點發射撞擊裝置（也可稱金屬彈）在龍宮小行星表面形成直徑約為10米的小行星坑。在目標標識器的引導下，「隼鳥2號」從人造小行星坑周邊採集了不少於10克的樣品。

　　完成任務後，「隼鳥2號」於2019年11月飛離龍宮小行星，並將於今年底返回地球。 　 

 中國月球採樣重量大幅提高

　　據歐陽自遠、葉培健、於登雲等多名權威專家介紹，嫦娥五號無人月球採樣返回器計劃從月球將約2000克月球樣品送回地球開展實驗室精細研究。如果順利，嫦娥五號將實現我國開展航天活動以來首次在月面自動採樣，首次從月面起飛，首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接，首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

　　由於蘇聯當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術，所以其3次無人月球採樣任務採用的都是月面起飛直接返回地球方案，這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重，因此極大地壓縮了採樣重量。嫦娥五號採用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器只需少量燃料，且沒有返回艙死重，因此採樣重量呈幾何級提高。

　　嫦娥五號之後，我國還將實施嫦娥六號、七號、八號的探月任務，其中幾乎都有月表取樣返回計劃，天問一號火星探測器探索火星的任務之後，我國還會執行針對火星和太陽系其他天體的取樣返回任務。

　　據報導，中國航天科技集團公司八院院長代守侖透露，中國計劃在2030年左右實施火星採樣等深空探測方案。運載能力的大幅提升，使我國空間探測瞄準了更遙遠的深空。代守侖表示，我國將針對前述探測計劃開展關鍵技術研究，推動深空探測工程實施。 　

　■深度
　 帶回月壤我們想了解什麼？

　　●月壤是月球巖石經過數十億年的空間風化後形成的，包含不同粒度的巖石碎屑、礦物碎屑、隕石碎屑、撞擊熔體碎屑、火山玻璃和各種角礫巖，還有太陽風注入的各種粒子等。因此，科學家可以通過研究月壤中不同的組分，來獲得原始月球的物質組成、外來物質、形成時間等重要信息。研究月球的土壤還可以幫助我們了解早期太陽活動情況，從而為了解地球早期經歷的相關地質過程提供參考，也有助於將來的載人登月和火星、小行星探測任務。

　　●鑽探採樣，就是想獲得從表面到地下一定深度的樣品。月球的月壤從表面到深部，其物質組成、粒度等性質有很大差異，不同深度的月壤記錄的月球科學信息也有所差異，因此需要獲得地下的樣品，而且要連續，保持原始的層理信息。這些樣品中包含有太陽風和宇宙射線與月巖相互作用的產物，因此對於了解太陽的活動歷史也是很重要的。 　 

 ■相關
　 太空採礦從哪挖？挖什麼？怎麼挖？

　　如果地球遇到礦產資源瓶頸，太空能順利成為人類的資源補給站嗎？為了破解地球礦產資源枯竭的瓶頸與人類共同體可持續發展難題，開發與利用豐富的太空資源勢在必行，太空採礦應運而生。 　

　有價值的目標挺多

　　近地小行星，指的是那些軌道與地球軌道相交的小行星。據報導，美國國家航空航天局（NASA）跟蹤著大約16700個近地小行星。這些小行星上的水、矽、鎳、鐵都是開發重點。水分解成氫和氧後，可以作為動力燃料填充飛行器，清潔且成本較低；矽可用於發展太陽能系統；鎳和鐵則是太空製造業的潛在資源。

　　考慮到現代科學技術、資源開採價值、地球安全性等原因，現階段最適宜太空資源開採的目標是近地小行星，且已有研究證明，有1500多顆小行星具有非常高的可採性和開採價值。  

　 需解決的難題不少

　　在地球上新開發一座稀土金屬礦約需10億美元。相比較而言，在不遠的將來把一顆體積較小的小行星帶回地球，需要的成本與之不相上下。除了成本之外，待解決的問題還有一籮筐。

　　太空採礦首先需要克服低/微重力下的低反作用力，要保證設備能夠在風化塵土上實現完全自主智能運行。另外，採礦過程中還要克服亞表層巖石的障礙，要能解決設備長期夜間工作與能源存儲等問題。

　　此外，地球與太空的通信問題也存在很大挑戰，如果在太空採礦時發生問題，不能及時發送信息到地面做出判斷，可能會造成無法估量的損失。

　　要解決這些問題，空間信息技術是關鍵技術之一。據了解，目前科研人員正在就太空導航定位與信息感知、太空採礦智能裝備等問題進行研究。  

　 ■問答
　　鑽探+抓取確保採集月壤成功

　　人類已經有四十多年沒有從月面採集月壤和月巖了，「月球採樣」究竟有何難度？記者23日採訪了中國地質大學行星地質學教授肖龍。

　　問：「嫦五」這次鑽探深度達2米左右。月球無人鑽探的難度在哪裡？月面會不會太堅硬而鑽不下去？鑽探設備採用何種動力以使它的動力足夠強勁？

　　肖龍：無人鑽探確實難度非常大，主要是月面沒有水，不能對鑽頭進行冷卻，只能幹鑽，速度快了溫度升高也快，極有可能導致燒鑽，導致鑽探失敗。此外，鑽取的樣品如何進行轉移封裝等，都有很多技術難題。這次鑽探的主要目標是細粒的月壤，如果碰到堅硬的巖石，就很難鑽進了。鑽機的動力主要是靠太陽能，因此動力也是有限的。

　　問：萬一鑽探設備發生故障，有沒有採用別的方式取回月球土壤的預案？

　　肖龍：為了保證採樣成功，除了鑽探採樣外，還要從月球表面抓取月壤。計劃中的2000克樣品，主要來自抓取。

　　　　本版文字綜合新華社、中新、中廣報導