今年，中國(guó)的嫦娥七號(hào)探測(cè)器將成為世界上首次嘗試在月球上采集并直接測(cè)量水資源的探測(cè)器。然而，科學(xué)家們最近發(fā)出警示：在月球上找水，可能比我們想象中更“脆弱”，一次不經(jīng)意的觸碰，就可能導(dǎo)致寶貴的水資源瞬間消失。
首先，為何要登上月球找水?
水可以支持人類在月球上的長(zhǎng)期活動(dòng)，例如提供飲用水、氧氣以及生產(chǎn)火箭燃料，對(duì)于未來人類建立月球基地、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐留至關(guān)重要。而且它們更可能被轉(zhuǎn)化為火箭燃料，讓月球成為通往更深遠(yuǎn)宇宙的“加油站”。
不過，月球上的水與地球上的水截然不同，它被鎖在凍土層中，不與空氣接觸，僅靠低溫和真空維持。近幾十年來，繞月衛(wèi)星的遙感測(cè)繪反復(fù)提示——在月球兩極，特別是那些永遠(yuǎn)照不到陽光的“永久陰影區(qū)”里，極有可能封存著大量的水冰。
但遙感只能“猜測(cè)”，無法“確認(rèn)”。冰到底以何種形態(tài)存在、含量多少、是否易于開采，所有這些問題的答案，都只能通過“親手”觸摸和分析月壤來獲得。這正是嫦娥七號(hào)使命的核心。
為此，嫦娥七號(hào)的月球車將攜帶一套采樣系統(tǒng)，用于從不同位置和深度采集少量月壤樣本。
然而，新的問題又來了，由于月球上的水以“凍土”的形式存在，且被鎖在嚴(yán)寒和近乎真空的環(huán)境中，當(dāng)探測(cè)器的機(jī)械臂采樣器刮過含冰月壤時(shí)，哪怕只是摩擦產(chǎn)生的輕微熱量，都可能打破平衡，讓水分子從固態(tài)冰直接升華成水蒸氣。
在真空環(huán)境下，這些水汽會(huì)瞬間逃逸到太空中，消失得無影無蹤。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)警告，如果不對(duì)這種“接觸性流失”進(jìn)行精確校準(zhǔn)，最終的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)“一個(gè)數(shù)量級(jí)”的偏差，嚴(yán)重影響科學(xué)結(jié)論的可靠性。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，嫦娥七號(hào)的探測(cè)車攜帶了一套極其精巧且謹(jǐn)慎的采樣系統(tǒng)。它不像傳統(tǒng)的鏟子或鉆頭，而是通過一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)并輕輕壓入土壤的薄板來采集樣本，以最大程度減少對(duì)月壤的擾動(dòng)。
每次采集的樣本量?jī)H相當(dāng)于一小撮鹽。采樣后，整個(gè)薄板會(huì)被迅速密封，轉(zhuǎn)移至探測(cè)車內(nèi)部的一個(gè)艙室中。在那里，樣本將被緩慢加熱，以便科學(xué)家測(cè)量釋放的水蒸氣量并估算土壤的含水量。研究團(tuán)隊(duì)表示，在這個(gè)階段，水分損失更容易控制。但真正的挑戰(zhàn)在于從觸碰到密封前的那個(gè)瞬間。
為了攻克這一難關(guān)，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏媳M可能地復(fù)現(xiàn)了月球環(huán)境。他們以阿波羅16號(hào)任務(wù)采集的樣本為基礎(chǔ)，制備了人造月壤，并通過在真空環(huán)境下將水蒸氣沉積到低溫土壤上來添加冰。實(shí)驗(yàn)在接近真空和低溫的條件下進(jìn)行，以盡可能地模擬月球南極的環(huán)境，同時(shí)考慮了月球較弱的重力和凍土的硬度。
測(cè)試表明，采樣器能夠可靠且重復(fù)地采集精確量的土壤樣本。但測(cè)試也凸顯了一個(gè)持續(xù)存在的挑戰(zhàn)：水分會(huì)在多個(gè)階段流失，從最初與土壤接觸到轉(zhuǎn)移和加熱。
為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種校準(zhǔn)方法，它能根據(jù)采樣過程中傳感器記錄的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)重建并補(bǔ)償在每個(gè)階段損失的水量。
研究人員表明：“一方面，我們驗(yàn)證了月球揮發(fā)物測(cè)量?jī)x所使用的微型采樣裝置在技術(shù)上是可行的。另一方面，這項(xiàng)工作為未來在月球上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解讀奠定了基礎(chǔ)。”
嫦娥七號(hào)計(jì)劃于今年晚些時(shí)候從中國(guó)南方的文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。該任務(wù)將攜帶來自中國(guó)和國(guó)際合作伙伴的15余臺(tái)科學(xué)儀器，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為八年，使其能夠從月球南極和軌道傳回大量科學(xué)數(shù)據(jù)。
