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(wú)法照射到陽(yáng)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(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PSRs穩(wěn)定存在水冰以及揮發(fā)分，個(gè)別區(qū)域水冰含量可能高達(dá)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(dòng)，電解產(chǎn)生的氫氣也可用于火箭燃料。因此，國(guó)際上已經(jīng)規(guī)劃大量針對(duì)月球極區(qū)水冰以及揮發(fā)分探測(cè)的任務(wù)，例如美國(guó)的“阿爾忒彌斯”計(jì)劃、中國(guó)的嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)，俄羅斯-歐盟的月亮27號(hào)等，他們的目的是提取水和揮發(fā)分進(jìn)行質(zhì)譜和光譜的分析以確定其含量以及來(lái)源等。PSRs環(huán)境下，水冰顆粒被認(rèn)為可能與月壤顆粒混合形成“臟冰”，水冰受熱會(huì)很容易發(fā)生升華，但月壤極低的熱導(dǎo)率（比水冰低3個(gè)數(shù)量級(jí)）對(duì)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(lái)源的氫同位素會(huì)發(fā)生至少50‰的分餾（Mortimer et al., 2018），這對(duì)于數(shù)據(jù)解譯造成了很大的阻礙。

地外探測(cè)任務(wù)中根據(jù)載荷的配置，設(shè)計(jì)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(cè)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(xué)信息？如何更好的解譯未來(lái)探測(cè)任務(wù)中的可能獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)？這一系列問題都對(duì)加熱爐的設(shè)計(jì)提出了要求。

圖1?地外探測(cè)任務(wù)中經(jīng)典的加熱爐實(shí)物圖（探測(cè)彗星67P的羅塞塔號(hào)菲萊著陸器）

為此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所比較行星學(xué)課題組博士生阮仁浩和導(dǎo)師楊蔚研究員，與郝佳龍高級(jí)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(shè)計(jì)的3個(gè)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(yīng)用于樣品質(zhì)量在毫克至噸級(jí)別的“探測(cè)-提取-原位資源利用”的不同實(shí)際場(chǎng)景，例如嫦娥七號(hào)飛躍探測(cè)極區(qū)、月亮27號(hào)提取惰性氣體以及大量開采水冰資源等對(duì)工況的約束，指示水冰的提取可以在短時(shí)間內(nèi)全部完成；但惰性氣體無(wú)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(jí)別尺寸的加熱爐中設(shè)計(jì)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如蜂窩，可以顯著提高加熱速率至少1.5倍。

圖2?探測(cè)-提取-原位資源利用場(chǎng)景中加熱爐的有限元模型

進(jìn)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(diǎn)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(dǎo)率，而熱導(dǎo)率又受控于水冰含量，因此通過對(duì)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(cè)量環(huán)節(jié)中質(zhì)譜和光譜分析無(wú)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(cè)量月壤水冰含量的方法。

圖3?通過加熱爐中心點(diǎn)升溫曲線判斷月壤中水冰含量的新方法

該項(xiàng)研究為月壤中原位提取水和揮發(fā)分的加熱爐設(shè)計(jì)提供了重要的參考意義，指出影響加熱爐設(shè)計(jì)的三個(gè)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(cè)量的科學(xué)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(wàn)鵬