月球極區(qū)水冰含量測量新方法——僅需一個加熱爐！ |阮仁浩等-ESS

月球自轉(zhuǎn)軌道幾乎垂直于黃道面，這使得月球兩極某些比較深的撞擊坑內(nèi)常年無法照射到陽光，形成了冷阱區(qū)域（年平均溫度<110K），即永久陰影區(qū)（PSRs）。一系列遙感探測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PSRs穩(wěn)定存在水冰以及揮發(fā)分，個別區(qū)域水冰含量可能高達30wt.%（Clark, 2009; Pieters et al., 2009; Sunshine et al., 2009; Colaprete et al., 2010; Li et al., 2018）。其中水冰是非常重要的地外可原位利用資源，能夠供給宇航員的生命活動，電解產(chǎn)生的氫氣也可用于火箭燃料。因此，國際上已經(jīng)規(guī)劃大量針對月球極區(qū)水冰以及揮發(fā)分探測的任務(wù)，例如美國的“阿爾忒彌斯”計劃、中國的嫦娥七號、嫦娥八號，俄羅斯-歐盟的月亮27號等，他們的目的是提取水和揮發(fā)分進行質(zhì)譜和光譜的分析以確定其含量以及來源等。PSRs環(huán)境下，水冰顆粒被認為可能與月壤顆粒混合形成“臟冰”，水冰受熱會很容易發(fā)生升華，但月壤極低的熱導(dǎo)率（比水冰低3個數(shù)量級）對熱提取過程產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)。而如果水冰不能完全提取，示蹤其來源的氫同位素會發(fā)生至少50‰的分餾（Mortimer et al., 2018），這對于數(shù)據(jù)解譯造成了很大的阻礙。

地外探測任務(wù)中根據(jù)載荷的配置，設(shè)計樣品中揮發(fā)分的原位分析流程為“采樣封裝-加熱-轉(zhuǎn)移-測量”。其中加熱環(huán)節(jié)則采用了加熱爐這一組件（圖1），它起到盛放樣品并直接電加熱提取水和揮發(fā)分的作用。但是，如何提高揮發(fā)分提取效率并從加熱過程中獲得更重要的科學(xué)信息？如何更好的解譯未來探測任務(wù)中的可能獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)？這一系列問題都對加熱爐的設(shè)計提出了要求。

圖1?地外探測任務(wù)中經(jīng)典的加熱爐實物圖（探測彗星67P的羅塞塔號菲萊著陸器）

為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所比較行星學(xué)課題組博士生阮仁浩和導(dǎo)師楊蔚研究員，與郝佳龍高級工程師、郭光軍研究員合作，建立了加熱爐和樣品之間提取水和揮發(fā)分的傳熱傳質(zhì)數(shù)值仿真有限元模型（圖2），發(fā)現(xiàn)影響加熱爐設(shè)計的3個主要因素：月壤中水冰含量、加熱爐直徑以及功率，隨后考慮加熱爐應(yīng)用于樣品質(zhì)量在毫克至噸級別的“探測-提取-原位資源利用”的不同實際場景，例如嫦娥七號飛躍探測極區(qū)、月亮27號提取惰性氣體以及大量開采水冰資源等對工況的約束，指示水冰的提取可以在短時間內(nèi)全部完成；但惰性氣體無法被完全提取，可能需要考慮新的加熱方式，例如微波加熱；如果在米級別尺寸的加熱爐中設(shè)計有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如蜂窩，可以顯著提高加熱速率至少1.5倍。

圖2?探測-提取-原位資源利用場景中加熱爐的有限元模型

進一步的，他們發(fā)現(xiàn)加熱爐采集的溫度數(shù)據(jù)，尤其是中心點的升溫曲線，可以直接反演月壤的水冰含量。原因在于，含水冰月壤由月壤顆粒和水冰顆粒混合組成，其升溫曲線受控于混合組分的熱導(dǎo)率，而熱導(dǎo)率又受控于水冰含量，因此通過對不同升溫曲線的分析可以反演水冰含量（圖3A-圖3D），并且極限載荷功率下，例如1W，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)分析需求（圖3E、圖3F）。這種方法相比于后續(xù)測量環(huán)節(jié)中質(zhì)譜和光譜分析無需考慮樣品稱重、樣品轉(zhuǎn)移過程中的吸附、損耗及泄漏等因素，是一種新的測量月壤水冰含量的方法。

圖3?通過加熱爐中心點升溫曲線判斷月壤中水冰含量的新方法

該項研究為月壤中原位提取水和揮發(fā)分的加熱爐設(shè)計提供了重要的參考意義，指出影響加熱爐設(shè)計的三個重要因素：月壤水冰含量、加熱爐直徑及其功率，根據(jù)樣品升溫曲線提出加熱爐可以作為月壤水冰含量測量的科學(xué)載荷。

研究成果發(fā)表于Earth and Space Science（阮仁浩,楊蔚*,郝佳龍,郭光軍. Oven design for in-situ thermalextraction of volatiles from lunar regolith [J]. Earth and Space Science, 2024, 11: e2024EA003556. DOI: 10.1029/2024EA003556.）

編輯：萬鵬