月球奥秘新探：嫦娥五号月壤胶结物中挥发物的奇妙运输之旅

《Research》：Transport of Volatiles in Agglutinates from Lunar Regolith of Chang’e-5 Mission

为探究月壤胶结物在月壤演化及挥发物迁移中的作用，研究人员以嫦娥五号样本中的胶结物粒子为对象开展研究。结果发现其表面有特殊孔隙，挥发物逃逸迅速。这对理解月壤发展和未来月球水资源提取意义重大。

　　月球，这个地球的天然卫星，一直以来都充满着神秘的色彩。自人类开启月球探索之旅，无数的谜团吸引着科研人员不断深入研究。早期的阿波罗计划和月球号计划，让我们初步了解了月球的一些特性，带回的月球样本为科研提供了宝贵的材料。然而，随着研究的推进，新的问题不断涌现。

月壤中的胶结物粒子，作为月壤的重要组成部分，其在月壤演化、资源利用等方面扮演着关键角色，但人们对它的了解还远远不够。比如，胶结物粒子的形成过程、内部微观结构以及其中挥发物的运输机制等，都有待进一步探索。此外，准确描述月壤中气体挥发物的流动，对于理解月壤的演化和未来月球资源的开发至关重要，可这一过程涉及复杂的物理化学条件，研究难度极大。在这样的背景下，开展对月球胶结物粒子中挥发物运输的研究迫在眉睫。

为了揭开这些谜团，中国的研究人员针对嫦娥五号带回的月球样本展开了深入研究。研究人员从嫦娥五号的表层月球样本（CE5C0400）中选取了一个具有代表性的多孔胶结物粒子。他们运用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线计算机断层扫描（X - CT）等技术对其进行了详细的表征分析，构建了数字几何模型，并开发了滑移流、过渡流和 Knudsen 扩散的计算模型，以研究不同压力和温度下挥发物的运输情况。

研究人员首先对胶结物的形态和化学成分进行了分析。光学显微镜观察显示，该胶结物粒子呈双叶状，由两个粗糙、深色的多孔粒子粘连而成 ，长度约 1.2cm，直径 0.4 - 0.7cm。SEM 图像进一步展示了粒子表面的细节，发现有许多微小矿物碎片，还观察到了开放孔隙，其最大直径约 0.1mm，孔隙侧壁光滑且有大孔。X - CT 分析则精确呈现了胶结物内部复杂的孔隙结构，其平均孔径约 78μm，孔隙率约 0.71。X 射线能谱分析（XEDS）表明，胶结物外表面主要元素有氧（O）、硅（Si）、铁（Fe）等，且孔隙中含铁矿物含量较高，还在孔隙侧壁发现了纯铁粒子。

在对胶结物有了初步认识后，研究人员进行了挥发物运输的数值研究。由于直接研究挥发物在胶结物中的运输面临诸多困难，研究人员从 CT 重建的胶结物中提取了一个小的矩形区域进行研究。根据 Knudsen 数，研究考虑了不同的流态。在高入口压力（8500≤Pin≤95000 Pa）下，采用滑移流模型模拟气体平流。结果发现，挥发物在多孔结构中以约 490m/s 的平均速度移动，在狭窄通道处速度可高达 6500m/s 。随着压力降低，进入过渡流态，分子与壁面的相互作用增强，挥发物平均速度降至 43.19m/s，但逃逸速度依然很快。当压力继续降低，Knudsen 扩散主导挥发物运输，气体分子扩散速度较慢，且扩散概率随温度升高而增加。研究还评估了不同流态下的质量流率，发现其与压力差和 Knudsen 数有关。

综合上述研究，研究人员得出结论：胶结物是月球土壤成熟度的关键指标，对理解月球土壤的演化和推进未来月球探索中的原位资源利用（ISRU）技术具有重要意义。嫦娥五号样本中的胶结物粒子比阿波罗和月球号任务中的更大，其光滑的多孔结构可能源于挥发物的流动。计算模型显示，在高真空条件下，挥发物逃逸迅速，使得月壤上层干燥。尽管胶结物可能不是理想的水和其他挥发物来源，但它富含铁，为研究月球风化层演化提供了有价值的信息。

这项研究发表在《Research》上，为月球研究领域提供了新的视角和重要的数据支持。其研究成果不仅有助于我们更深入地理解月球的奥秘，还为未来月球基地的建设、资源开发等提供了理论依据，推动了人类对月球的探索进程。

在技术方法方面，研究人员首先从嫦娥五号样本中选取胶结物粒子，在氮气环境下保存与操作，避免地球大气影响。利用自动聚焦显微镜初步观察其形态，再通过高分辨率 X - CT 系统获取 3D 几何结构，扫描后用专业软件处理数据。接着选取粒子表面光滑区域，用 SEM - EDS 扫描获取微观图像并检测化学成分。最后，以水蒸汽为工作流体，在特定软件中依据 Knudsen 数选择不同模型模拟挥发物运输过程。