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天文|月球的水资源探索是怎样进行的？

简介：根据月球南极地区LRO的数据 ， 欧洲航天局发布一张月球水冰地图以为未来月球任务做准备 。 届时PROSPECT将对水冰进行取样 。 通过提取的样本进一步分析月球上重要元素的相关信息 ， 深入月球探测研究 。
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在2009年 ， NASA发射了月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO) ， 这是美国十余年来首次向月发射飞行器 。 LRO着陆后便开始观测 ， 取得了一些意义深远的发现 。 例如 ， 在月球南极的艾特肯盆地(Aitken Basin)周围的一系列永远处于月球阴暗面的环形山中 ， 探测器证实了大量固态水（冰）的存在 。
基于月球南极区域的LRO得到的温度数据 ， 欧洲航天局发表了月球上水冰地图（图1） ， 可以用于未来的任务中 。 这包括欧洲航空局的资源观测和原地勘探、商业开发和运输包(Package for Resource Observation and in-Situ Prospecting for Exploration, Commercial exploitation and Transportation, PROSPECT) ， 它将于2025年由俄罗斯的月球27号着陆器带到月球 。
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月球27号着陆后 ， PROSPECT将会对这些水冰贮藏点进行采样 ， 以便评估评估未来建造和维持月球前哨而收集这些水冰的可能性 ， 如：原地资源利用(In-Situ Resource Utilization, ISRU) 。 这一过程的核心是“ProSEED”——一个在月球南极地区表面以下的采样钻孔 。
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图1. 根据LRO的温度数据绘制的月球南极表面下可能存在水的地图 。
除了水以外 ， 样品中这些样品可能含有其他挥发性物质 ， 这些挥发性物质可能在该地区的极低温度下被捕获（通常是-150°C ， 在某些地区可能低于-200°C） 。 这些样品随后会被加热、并由PROSPECT化学实验室(ProSPA)分析 ， 以提取这些挥发分 ， 并对它们进行热化学处理 。
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这将包括把它们加热到1000℃以测试其他的化学成分（如氧气）是否能被提取 。 目的是为了确定当地的资源是否可以被收集和转化 ， 以满足宇航员和未来的月球殖民者的需求——如生产建筑材料、饮用水 ， 甚至空气 。
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图2. 月球27号着陆平台ProSEED和ProSPA的基础要素图(Carpenter等, 2018年第49届月球与行星科学会议报告) 。
【天文|月球的水资源探索是怎样进行的？】
英国开放大学的汉娜?萨金特(Hannah Sargeant)开发了这种改进的提取月球上的水的方法 ， 因此被《福布斯》杂志评为“欧洲30位30岁以下2020年度创新人物”之一 。 正如汉娜对这一荣誉所描述的一样：
“很高兴在这个公开论坛看到空间资源正逐渐被人们认识和重视……我很荣幸被《天文在线》杂志评选为欧洲30位30岁以下2020年度创新人物之一 ， 但我需要强调的是 ， 我们有许多优秀的研究者和我一同研究 ， 他们也十分值得出现于这一名单上 。 太空科学技术的未来绝对掌握在伟大的人的手中！”
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图3. PROSPECT系统的设计图和它的作用 。 图源：ESA
ProSPA实验室也会分析这些样品 ， 以获得月球上关键元素的精准同位素测量数据 ， 如碳、氧、氮和氢 。 这将提供关于月-地系统的挥发性化学物质的起源、演化和分布的见解 ， 同时也帮助天文学家更好的了解挥发物是如何在太阳系内部分布的 。
就像了解水的分布一样 ， 了解这些元素何时、何处以及如何分布是理解我们的太阳系如何随时间演变的关键 。 由于这些化学物质也是生命存在的关键 ， 挥发性物质的记录也能帮助我们了解生命何时出现 ， 以及何处可以找到生命 。
PROSPECT和俄罗斯的月球全球探索计划(Russian Luna-Glob program) 是全球探索月球和勘探资源的巨大努力的一部分 。 这些任务 ， 连同“阿尔特弥斯计划”(Project Artemis)和“月球门户计划”(Lunar Gateway)一起 ， 长期目标是为月球探索和人类在月球上的永久居住创建一个可持续的方案 。
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图4. 截至2010年底 ， 月球全球探索计划着陆器的结构 。 左边可以看到土壤采样机器人手臂；地面钻探硬件也将包括在内 ， 着陆器上科学有效载荷的总质量将达到30公斤 。 资料来源:IKI / NPO Lavochkin


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