月球探测
与资源开发利用研究（25）
胡经国
六、月球水资源
1、美国将分阶段开发月球水资源
由美国宇航局、行业专家、月球科学家和太空律师进行的“月球商用计划”评估表示，决定将分步研发月球永久阴影区的水资源利用，提取出的水将用来制作推进剂。
近年来，月球迎来了新一轮的探测热潮。美国“月球勘测轨道行器”发现月球极地环形山永久阴影区的温度仅有-240℃。这一温度不仅可以储存水冰或者氢达数十亿年，而且还导致这些永久阴影区成为太阳系中最寒冷的地方。该“月球勘测轨道行器”还在月球南极附近的环形山中探测到了水的信号，并且信号比预期的要强。
水是一种非常高效、易于使用和储存的氢、氧载体。它可以维持人类的日常需要；还可以用来生产火箭的推进剂，为地球和月球之间的运输系统提供燃料。试想，在月球上工作了好多天的航天员无法洗个澡是什么样的情形？月球上没有水，要建设和运行月球基地就必须从地球上运水，这个成本实在太高昂了。
科罗拉多州矿业学院空间资源教授乔治·索尔斯发布的研究报告指出：“在沙漠中黄金是无用的，水是无价之宝”。水可以通过电解分解成氢和氧；氧气可以用来维持生命，氢和氧可以燃烧用于火箭推进。该研究报告确定，支持推进器可能需要500吨的水，前期投资40亿元用于研发月球水资源提取。
该研究报告还指出，由于研究工程的难度，此项研究将分阶段完成。第一步是制定美国航天局和其他机构提出的关于推进剂需求、价格和作为客户群的使用地点的基准。第二步是对月球极地地区进行科学勘探。第三步是制定改进的空间法，促进月球资源的商业利用。第四步是成立商业月球推进剂公司，管理许多分包商。第五步是确保对技术开发的投资。
同时该项研究也注意到了法律问题。目前，月球就像是新大陆还没有确定归属权，开采权方面的法律权利问题是始终需要解决的问题。
2、科学家绘制月球水资源分布图
2009年主导月球探测项目的美国国家航空航天局NASA科学家宣布月球的确有水资源，激发了科学家实施大量月球探索科研项目的热情。近日，布朗大学的科学家利用来自NASA月球矿物分布探测仪收集的月球土壤数据，绘制了一份关于月球水资源分布的详尽地图，其水资源分布似乎比以前设想的更加丰富和广阔。
近年来，科学家发现月球要比之前预想的更加湿润。最新研究显示，月球水资源主要来自小行星碰撞过程。虽然，月球水资源形成的原因还无法作出定论。但是，布朗大学已经应用详尽的数据分析，绘制出了月球全球的水资源分布图。该项研究主导作者ShuaiLi称：“水资源的迹象遍布月球表面几乎每个地点，而不仅仅局限于此前研究的基地区域。”“水分的蕴含量向着极地方向而增加，但是并没有明确的迹象显示某个独特地区会有显著的不同”。
从该月球水资源分布图中可以看出，月球水资源分布具有明显规律。在月球极地区域水资源大量分布，而在赤道地带则分布非常少。这符合太阳风起源理论。但是，也有一些例外。在接近月球赤道的月球坑附近，也有较高的水资源平均分布量。此前，有研究表明，月球月幔中富含大量水，这些水资源可能来自月幔。
在改月球水资源分布图中，月球极地周围山峰的水分布接近浓度数值为500～750ppm（partspermillion，百万分之浓度；1ppm=0.001‰）。另外，有趣的是，在赤道附近水资源分布会随日夜波动；在夜间赤道部分水资源较正午多了大约200ppm值。研究论文的共同作者RalphMilliken称：“我们不明确导致水资源日夜波动的具体机制，但是这表明月球土壤中水分形成的过程在现在仍然处于活跃状态。有可能在一段过程后水分会重新积累，但是我们现在仍然需要更好地理解月球水资源循环的物理过程”。
3、月球丰富的水冰资源
科学家指出，月球水资源蕴藏量可能超出此前预计。通过比较水星表面免遭阳光侵袭的阴影区和月球上与此相似的背阴陨坑，该研究小组认为，水冰层厚度可能达到数米，并且能够在月球南极的背阴陨坑“存活”。该研究小组指出，这些陨坑因为没有受到阳光的侵袭，夜间温度可降至零下233摄氏度。这意味着，月球陨坑内可能蕴藏着大量水冰。其研究论文刊登在《自然·地球科学》杂志上。
在对美国宇航局的“信使”号飞船（“信使”号是一颗全自动轨道器，曾经环绕水星轨道运行4年）观测数据进行分析以后，该研究小组发现，水星永久阴暗区陨坑可能存在大量水冰。月球勘测轨道器此前收集的证据表明，部分月球陨坑存在水和冰蒸气。这颗探测器于2009年在月球上坠毁。戈达德太空飞行中心的科学家本月初公布的一项研究指出，月球南极陨坑能够封存水，但是他们估算的水资源蕴藏量远少于加州大学研究小组所估计的蕴藏量。
有证据显示，月球极地永久阴暗区陨坑存在大量水冰。由于月球没有大气层，因而陨坑内的物质容易遭受流星撞击和太阳风的侵袭。侵蚀过程随后将水“驱逐”出陨坑。月球勘测轨道器等飞船的仪器，能够捕捉到这种现象。该研究小组负责人威廉·法莱尔在一份声明中指出：“人们认为月球极地陨坑的一些区域能够将水封存，但是太阳风粒子和陨石撞击能够驱动通常在更高温度下发生的反应，这一点一直没有引起科学家的重视。”
2011年1月公布的一项研究指出，月球上的水最有可能来自彗星。在派遣宇航员进行实地进行勘测以前，我们无法确定月球永久阴暗区陨坑究竟蕴藏着多少水。在最理想的情况下，大约有1.2万个月球背阴陨坑能够封存数百万吨水冰。有了这些丰富的水冰资源，我们在月球上建造永久性基地的可行性将大幅提高。
4、建立月球基地最大难题将面临解决
自从人类登月以后，科学家还认为月球是干旱的。以前通过几个航天器使用红外仪器测量从月球发出的光，以识别其表面的化学成分。NASA的深度撞击航天器，在前往103p/Hartley2彗星的途中多次观测了月球；NASA的卡西尼号航天器，在前往土星的途中经过月球；以及印度的钱德拉扬-1号飞船，都有发现水或其成分的证据。
当时，以为月球上的水都主要以冰的形式存在于两极附近永久遮荫的陨石坑中，或者地下。最近，科学家发现，地表水在稀少的分子群中与月球土壤结合。数量和地点因一天中的时间而异。这种水在高纬度地区更常见，而且随着表面升温，它往往会在周围跳来跳去。
科学家使用美国宇航局月球勘测轨道器（LRO）上的一种仪器，观察到水分子在月球的白天移动。当一股被称为太阳风的带电粒子以每秒450公里的速度倾泻到月球表面时，它们会使月球表面富含可能产生水的成分。
利用计算机程序，科学家模拟了太阳风撞击月球时所呈现的化学现象。他们发现，当太阳将质子输送到月球时，这些粒子与月球表面的电子相互作用，形成氢原子。然后，这些原子通过表面移动，并附着在二氧化硅（SiO2）和其他组成月球土壤的含氧分子中的丰富氧（O）原子上。氢和氧合在一起，水就形成了。
只要是在月球整个外圈非常薄的大气中，我们知道到哪里去采集这些资源就可以。月球赤道等比较温暖地区的氢积累较少。因为，那里沉积的氢原子会受到太阳的激发，并且迅速从表面排出气体进入外圈。相反，在月球两极附近比较冷的表面，由于太阳辐射较少，似乎会积累更多氢，而且排出速度减慢。
总的来说，模拟显示，太阳风不断地撞击月球表面，破坏了构成月球土壤大部分的硅、铁和氧原子。这会留下氧气原子。若氢原子流经月球表面，则它们会暂时被这些氧气所困住（在寒冷地区的时间比在温暖地区长）。最后扩散到月球大气层，最终进入太空。整个过程就像一个化工厂。也就是说，月球上每一块岩石都有造水的潜力。了解月球上有多少水或其化学成分，对于人类在月球上建立永久基地至关重要。
但是，这些原子和化合物是如何在月球上形成的，仍然是一个悬而未决的问题。流星撞击也可能引发必要的化学反应。但是，许多科学家认为，太阳风是主要的驱动因素。这些结果有助于理解月球水循环，并且最终帮助人类在未来月球任务中可以获取使用水。月球水还可以被人类用来制造燃料，或者用于辐射屏蔽或热管理。
5、月球为什么有那么多水？
小行星是月球水的“搬运工”，为月球带来大量的水。月球现在虽然干旱无比，但是在以前也曾经存在丰富的水资源。月球上的水并不是自然形成的，而是由于小行星撞击而形成的。这些小行星成为了月球的搬运工，源源不断的向月球输送水分。月球内部的大部分水是在45～43亿年前月球形成早期通过小行星输送到月球上的。
月球被为是由45亿年前一颗火星大小的行星与地球碰撞后产生的碎片形成的。在其形成后不久，月球上存在着一个岩浆海洋。此前，月球高地样本分析显示，在矿物质颗粒中可以检测到水分。科学家由此知道，月球内部也有水。月球高地被认为是由早期近乎熔融状态的月球冷却结晶而形成的原始地壳。该发现意味着，在冷却成型之前的熔融阶段，月球内部就存在水分。然而，直到现在，科学家一直还不清楚两件事：一是这些水是何时及以何种方式到达月球的；二是小行星和彗星对这些水的相对贡献各是多少。
英国开放大学的杰西卡·巴恩斯和她的研究团队，使用一系列数字模型和先前研究中测量的月球样本同位素组成，确定了向月球输送水的速率、来源和时间。他们发现，小行星“送水”过程持续的时间在1000万年到两亿年间。当时，月球岩浆海洋也还存在。根据样本中氢与氮的数据分析，有一类富含水的小行星——碳质球粒陨石，正是月球内部水的主要来源；而彗星带来的水只占月球总水量的20%。在最新数字模型中，在彗星和小行星与月球上的岩浆海洋碰撞以后，岩浆海表面会形成了一个“热度盖”，防止水变成气体逃逸至太空，从而让水得以保留在月球内部。
虽然这些结果表明，月球上的水大多可能来自小行星，但是研究人员仍然表示，其中一部分水也有可能来自形成月球的碰撞事件发生之时的早期地球。近年来，科学家发现，月球要比之前预想的更加湿润。但是，月球上的水资源是如何产生的，仍然是一个未解的谜团。目前，科学家最新研究表明，在45～43亿年前，小行星碰撞月球将水资源传递到了月球这颗卫星。
庆
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