9月9日，國家航天局、國家原子能機構聯(lián)合在京發(fā)布嫦娥五號最新科學(xué)成果。國家原子能機構副主任董保同在發(fā)布活動(dòng)上宣布，中國科學(xué)家首次在月球上發(fā)現的新礦物被命名為“嫦娥石”，其英文名為Changesite-（Y）。這是我國在空間科學(xué)領(lǐng)域取得的一項重大科學(xué)成果，也是核與航天跨行業(yè)、跨專(zhuān)業(yè)合作的一次有力探索。
“嫦娥石”是我國發(fā)現的首個(gè)月球新礦物，也是人類(lèi)發(fā)現的第六個(gè)月球新礦物。這次新發(fā)現使我國成為世界第三個(gè)發(fā)現月球新礦物的國家。
“此次系列新發(fā)現還帶動(dòng)了新技術(shù)、新方法的發(fā)展，推動(dòng)了礦物學(xué)的進(jìn)步，為月球演化、資源開(kāi)發(fā)利用，以及未來(lái)深空探測等提供科學(xué)支撐?！敝泻思瘓F核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)核地研院）嫦娥五號月球科研樣品研究團隊負責人李子穎告訴《中國科學(xué)報》。
嫦娥石：來(lái)自月球的新礦物
開(kāi)展月球樣品科學(xué)研究是實(shí)施探月工程的主要目標任務(wù)之一。經(jīng)過(guò)激烈競爭，核地研院獲批成為第一批開(kāi)展月球樣品科學(xué)研究的單位之一，先后獲得了365克月球樣品。
根據研究計劃，科研人員首先對首批50毫克樣品進(jìn)行礦物學(xué)研究。
“我們對數十萬(wàn)個(gè)平均大小僅10微米的月壤顆粒進(jìn)行化學(xué)成分測定，發(fā)現有一類(lèi)微小顆粒的化學(xué)成分和所有已知礦物成分都不相同，它的稀土含量特別高。經(jīng)過(guò)反復查閱文獻，結合多年的專(zhuān)業(yè)敏感性，我們意識到這有可能是新礦物?！毙碌V物發(fā)現團隊成員、核地研院研究員李婷告訴《中國科學(xué)報》。
判斷是否是一個(gè)新礦物，有兩個(gè)必要條件：化學(xué)成分和晶體結構。于是，李婷和團隊成員立即著(zhù)手測定結構。
然而，這一新礦物是一個(gè)10微米左右的顆粒，和輝石交互共生，無(wú)論是實(shí)驗手段還是后期數據處理都沒(méi)有辦法把輝石剔除干凈，因此一直沒(méi)有獲得理想的結構數據。
一個(gè)多月后，核地研院申請到第二批月壤樣品。團隊統計了樣品靶上超14萬(wàn)個(gè)顆粒，又找到了一些新礦物的蹤跡，但有希望測到單晶結構的只有一顆，而且裂成了三小塊。最終團隊使用聚焦離子束電鏡切出了一顆10×7×4微米的純的單晶顆粒，然后將顆粒轉移到單晶衍射儀上收集衍射數據，最后解譯出了晶體結構。
隨后，團隊對其進(jìn)行了拉曼光譜分析、晶體光性描述、物理性質(zhì)計算等，通過(guò)系統詳盡的礦物學(xué)研究，最終成功確定其為一種從未被發(fā)現過(guò)的磷酸鹽新礦物，為致敬中國航天和深空探索事業(yè)，核地研院將其命名為“嫦娥石”。
“嫦娥石”發(fā)現于嫦娥五號月壤的玄武巖碎屑中，是新的磷酸鹽礦物，屬于隕磷鈉鎂鈣石族。晶體結構屬三方晶系，空間群R3c，呈微小柱狀，伴生礦物有鐵橄欖石、單斜輝石、鈦鐵礦、鈣長(cháng)石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。
2022年8月，國際礦物學(xué)會(huì )新礦物分類(lèi)及命名委員會(huì )全票通過(guò)了“嫦娥石”申請報告并頒發(fā)批準函。
氦-3：未來(lái)潔凈能源
除了發(fā)現“嫦娥石”外，科研團隊還在嫦娥五號月壤中首次成功獲得未來(lái)聚變能源資源——氦-3含量和提取參數。
事實(shí)上，在嫦娥五號返回前，核地研院結合院科研優(yōu)勢和基礎，系統規劃并提出了開(kāi)展嫦娥五號月球樣品的科研計劃，并確定了“嫦娥五號月球樣品核能元素研究”方向，目標是開(kāi)展自主月球裂變、聚變資源基礎地質(zhì)研究，為月球演化和月球資源評價(jià)提供重要基礎數據。
“月球上最重要的一個(gè)資源就是氦-3，它是未來(lái)核聚變反應的理想原料，被稱(chēng)為未來(lái)的潔凈能源、完美能源。有科學(xué)家估算，如果有100萬(wàn)噸的氦-3，就能為地球提供1萬(wàn)年的能源支撐。然而，它在地球上極為稀缺?！焙说匮性嚎萍疾扛敝魅?、第一批月球樣品責任人黃志新說(shuō)。
目前，科研人員研究的核聚變反應大多基于氘氚反應，其反應時(shí)會(huì )產(chǎn)生放射性物質(zhì)，若用氦-3參與反應，則不會(huì )產(chǎn)生核輻射，且可以釋放更多能量。
那么月球中氦-3的含量究竟有多少？如何提??？
核地研院經(jīng)系統研究和測量，首次準確獲得嫦娥五號月壤中氦-3含量及最佳提取參數。值得一提的是，團隊成功開(kāi)展了氦-3提取實(shí)驗，準確獲取了氦-3釋放的最佳溫度曲線(xiàn)。
黃志新說(shuō)，這些是我國自主測量的可靠數據，為我國后續月球氦-3資源的遙感預測和資源總量估算，以及氦-3資源的未來(lái)開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟評價(jià)提供了基礎科學(xué)數據。
開(kāi)啟探月研究新篇章
科研團隊全面研究了嫦娥五號月壤顆粒的形貌特征，獲得了嫦娥五號月壤顆粒的典型形貌特征，為研究月壤形成提供了科學(xué)依據。通過(guò)對數十萬(wàn)個(gè)月壤顆粒進(jìn)行系統研究，他們獲得了嫦娥五號月壤的礦物組成，為研究月球演化和形成提供了有力支撐。
“系列成果的取得，是我國核科技實(shí)現自立自強的重要體現，但成果來(lái)之不易，過(guò)程非常曲折?！焙说匮性焊痹洪L(cháng)陳亮表示。
月球樣品珍貴稀少，必須用好每一個(gè)顆粒、確保極低的樣品損失量，這考驗著(zhù)科研人員的耐心和技能。
李婷回憶，最難的是挑選月球樣品，由于不允許引入外來(lái)“污染”，只能靠針尖和顆粒之間摩擦產(chǎn)生的一點(diǎn)靜電吸附住樣品。他們經(jīng)常用針尖推著(zhù)樣品在玻璃片上來(lái)回跑，就是取不起來(lái)，每每這時(shí)既絕望又崩潰，但也只能深呼吸，穩住崩潰的情緒和僵硬的肩膀一遍遍嘗試。
“這些顆粒中，小的不足頭發(fā)直徑的1/100，大的也只有一根頭發(fā)粗細，跟它們死磕了兩個(gè)多月，終于完成了挑選任務(wù)，實(shí)驗計劃如期完成?！崩铈谜f(shuō)。
稱(chēng)重也需非常精確。黃志新介紹，分取使用的天平是百萬(wàn)級天平，可以精確到0.001毫克。
“最困難的是要準確稱(chēng)取數份0.1毫克樣品，舉個(gè)例子，一顆綠豆大約600毫克，相當于我們需要取1/6000顆綠豆，手稍稍抖一下就超量了。每個(gè)空樣品槽稱(chēng)三遍，放入樣品后再稱(chēng)三遍，以確保稱(chēng)量準確?！秉S志新說(shuō)。
星空浩瀚無(wú)窮，探月研究開(kāi)啟新篇章?！斑@是一條相當漫長(cháng)而曲折的道路，無(wú)論經(jīng)費、時(shí)間、精力，所有的投入都必然是有限的，而唯一無(wú)限的是科學(xué)家的好奇心?！崩钭臃f說(shuō)。
據了解，2020年12月17日，嫦娥五號攜帶1731克月球樣品返回地球。國家航天局已完成四批152份共計53625.7毫克的月球樣品發(fā)放，有33家科研單位的98位申請人通過(guò)申請。第五批月球樣品正在評審，后續按程序發(fā)放。
中科院、教育部、自然資源部、中核集團等多家單位獲批承擔月球樣品研究工作，國外科學(xué)家、留學(xué)生也參加了聯(lián)合研究。目前已在巖漿分異、太空風(fēng)化、氦-3氣體以及生物能轉化等方面取得最新成果，給認識月球起源與演化、探尋月球資源的有效利用以及實(shí)現“零能耗”的地外環(huán)境和生命支持系統帶來(lái)重要啟示。
記者 韓揚眉 見(jiàn)習記者 王一鳴
