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，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。

地外探測任務中根據(jù)載荷的配置，設計樣品中揮發(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信息？如何更好的解譯未來探測任務中的可能獲得的科學數(shù)據(jù)？這一系列問題都對加熱爐的設計提出了要求。

圖1?地外探測任務中經(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，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所比較行星學課題組博士生阮仁浩和導師楊蔚研究員，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計有內(nèi)部結構，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率，而熱導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)分的加熱爐設計提供了重要的參考意義，指出影響加熱爐設計的三個重要因素：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