【博評】William:外星「挖土」帶回地球的意義

2020-12-11 11:12:54
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

隼鳥二號和隼鳥號一樣,都是以氙為工質的離子推進器探測器,但獨特之處在於幾乎所有天線都平板化,並改良原有的取樣器及加入更新的取樣方法,以更有效吸取表土與更深層的土石樣本。(照片來源:連結)

 

這星期與太空探測有關的活動,似乎都和土壤及重返大氣層有關:首先,日本的隼島2號小行星探測器結束6年的第一階段任務,把龍宮小行星(編號:162173 Ryugu)的土壤成份帶回地球並由返回艙著地;其次是嫦娥五號的軌道器已將所採得的月球土石樣本裝進軌道器,軌道器將於12月中前回到地球附近並以返回艙重返大氣層。若計算美國的10月底另一艘探測器冥王號(OSIRIS-Rex,Osiris是埃及冥界之神)在另一個小行星上「挖土」的任務(2022年才回歸地球),那這一兩個月的太空探測任務可說都和「外星挖土石」有關。

日本今次算是全球首次帶來真正的小行星泥土樣本:這創舉原先應是隼鳥號就創下的,不過此船經歷可說多災多難,中途甚至失聯一整年,最後亦只能帶來微量樣本,造成可供測試樣本不足的局面,事實上不大成功。今次隼鳥2號總算成功了。

隼鳥2號第二次取樣過程,主要是在先前被炸開的坑中以接觸形式採集揚起的土石樣本。

 

雖說都是「挖土石」回來,但各有各的難度與意義,像一些網絡上的互相比較甚至值此互相貶損,也不見得有任何意義。就難度來說,航行距離決定了航行中導航及指令控制的難度:基於月球是可在人類直接觀測的範圍,加上前幾個嫦娥探測器也已測繪月球地形圖,故落地選址也應一早計劃好了;另一方面,深空探測的不確定性就更多,這包括環境與機器自身故障率,而且小行星的自轉與軌道也會有些「搖擺」,要探測器到達後作進一步觀測,才能選定降落地點。加上通信延時會比地月更久,無論是一般控制還是中途故障時若要採用地面遙測指令排障,其實更為困難。

嫦娥五號挖掘及鑽探過程的畫面。月面工作環境倒算穩定,只是起降及軌道對接要相當小心而已。(片段來自SciNews頻道)

 

但在降落挖樣本及返回上,又是另一回事:基於小行星引力太微小(大約只有數萬分之一G,幾可忽略不計),理論上只要調校好相對速度,著陸其實更接近與太空站對接,只要接觸並確認有樣本進入吸取器後,即可輕易脫離(而取樣通常只有數十克),隼鳥2號除接觸採探石頭外,還以機上搭載的成形裝填彈丸射擊小行星表面,並炸開一個十米大洞(小行星無重力又無空氣,小小一個撞擊就可炸飛大量石頭),然後採探表土下的土壤樣本;但要降落月球就比較繁複了,無他,月球還是有明顯重力,無論降落與脫離都需要精確的加減速,否則後果只會是直接撞向月球。而且今次需要採集的月球樣本多得多,採樣後的上升器也要中送與軌道器對接並轉移至少兩公斤的土石樣本,過程更為複雜。

 

中國航天當局準備進行月壤實驗的實驗室照片。有人可能質疑把土壤帶回地球的做法,並指探測器上亦有實驗儀器可以做到;然而,地球實驗室的環境其實更佳且儀器更齊全,要做更多類型實驗都可以,故是進行大量樣本實驗與測試最理想的地方。(照片來自CCTV新聞片段截圖)

 

雖然外形與結構差異很大,但本船無論在架構與及轉移軌道、分離對接方式上都和阿波羅飛船很相似,更像一次小型模擬載人登月。詳細可見Spaceflight101.com的報道。(照片來自新浪網)

 

 

更重要的是,如果嫦娥五號是單純採石回地球的話,大可像1976年蘇聯的月球24號一樣,將工作站直接射往月球,採樣後火箭亦可直接起飛返回地球;但今之又搞了軌道器,並進行了探測船與軌道器分離、上升器與軌道器對接並轉移樣本等複雜工作,其過程明顯更接近阿波羅登月計劃的縮影。事實上,中國航天部門似乎是故意讓這次探測作為中國首次載人登月的預演。

 

金牛T星變星的金牛座HL,其實是一個未正式成為恆星的天體,然而其星塵盤已出現明顯的環形分化,黑圈 / 坑紋其實已是正在吸收周圍物質並形成中的原行星所留下的「印記」。同時這亦證明了恆星在未正式發光時,行星就可以形成。(照片及資料來源見連結)

當然,因為發展與發射成本很昂貴,宇宙探索如果不講意義,在實際上是行不通的。小行星或月球「挖土石」,除帶來對天文學重要問題一個可能的解答外,還能為人類的生死存亡邁出一小步:

1. 更了解太陽系形成階段的實況:

基於各類對遙遠原行星盤的觀測,太陽星雲經原行星盤形成今天八大行星的假說基本上已是定律,不過當中很多細節仍然是未知之數或者需要超級電腦模擬來「合理推斷」出來。現時比較流行的新說法,是指原行星盤的質量雖然也只是同系統中恆星的1至10%左右,但仍遠多於現時太陽系其他天體與太陽質量之間的比例,而且原行星形成的時間可以很短,甚至在恆星激發恆星風並正式「誕生」前,就可以經吸積及微行星合併發展成相當規模。

現時人類預測並積極尋找的Planet X,若果是一顆類地行星 / 超級地球,很有可能就是太陽系最早期誕生而又被引力彈弓「拋」出去(但又拋得不夠快及遠,仍受太陽引力影響)的初代類地行星。部分被拋離的初代行星更有可能被原有太陽星團中其他年青恆星所捕獲,甚或成為流浪行星,流落銀河系中。(照片來自NASA)

 

在這理論模型中,太陽附近應該有更多類近地球甚至更大型的類地行星。然而基於過份密集且軌道不太穩定,這些剛形成沒多久的行星又經互相碰撞,不是撞得粉碎,就是墜入太陽表面或給拋出太陽系。現有的四大類地行星就是在殘骸中再次聚合形成,地月系統就是在這重新形成的階段中發生大型撞擊事件中形成。殘餘的碎屑及冰塵碎塊在之後5億年繼續轟擊各行星地表,未有參與這次事件的殘骸,就是今天的各個小行星。

 

基於太空沒有風化及激烈的化學效應,這些小行星碎屑(可能就是最早期的原始行星物質或者第一代行星的殘餘)基本就是以「時間膠囊」的形式,帶著誕生時的各種化學形態及訊息,遍布於小行星及月球表面上(月壤有不少成份是墜落隕石的殘骸,或者在火山活動中由深層土壤帶回月面的原行星殘餘物質)。這些對於詳細研究太陽系形成最初5億年的情況並驗證現有經電腦模擬推論的太陽系形成理論,起極為重要的佐證作用。

 

過去多次登陸與取樣返回(黃色方格標示),都選擇在地勢平坦得多的月海區(被溶岩填平的超大型隕石坑)。這有可能和早期對月球地形的觀測度未夠精細到可在非月海地區找足夠大的著陸點有關。(照片來源:Wiki)

 

當然,若單就嫦娥五號的鑽挖而言,也對月球地質研究有重要意義:過去登陸及取樣返回的地點,都是月海相對平坦的地區,樣本其實只反映月海形成時期(40-35億年)的情況,但今次嫦五所選擇的地點就近一個較近期形成的火山(推測10億年左右),這點應該是過去未曾做過的。除月壤表土外,還會以鑽探形式挖取兩米深且觸及月球火成岩的土芯樣本,這層古老溶岩的樣本有助進一步研究一直資料不多的月球地質與火山活動情況與發展。

 

機動戰士高達中的小行星「用法」最主要不是用來丟落地球,而是找個工業衛星「泊」過去直接挖礦,造成殖民衛星的巨型組件或其他金屬元件。若人類以後真的有能力建造殖民衛星,M族小行星(約佔10-17%)由於含鐵鎳量相當高(有指可能是某些大型原行星給撞碎的金屬核心),甚適合作為建材。圖為Gundam Unicorn中的墨瓦臘泥加(メガラニカ)殖民衛星建造星,也是初戰與最後一戰的主要舞台。(圖片來源:連結)

2.未來外星採集資源的試探:

眾所周知,地球上的重金屬資源其實相當豐富,然而因為沉積關係,早期地表的金屬大都隨地幔活動而沉到地核深處,除少量經火山活動重返地面外,在地表中的含量並不算多;加上豐度亦影響開發價值,地球上真正可資應用的金屬資源其實不算多,且開採與提煉過程亦會帶來大量污染。

以人類的科技水平而言,這三十年內捕捉並拖帶飛掠地球附近以金屬含量較高的小型小行星,從而進入地球附近軌道並加以利用,是有相當可能性的事。由於小行星在太空缺乏化學反應,加上個別小行星本來就是炸碎了的原行星核心,其金屬純度相當高,節省了不少化學還原的需要。(照片來源:連結)

 

不過,包括金屬等營造地球的物質,同樣都在太陽系各處。上面提過早期太陽系形成過程中,不少早期行星剛開始形成就被毀滅或驅離,當中部分撞到太陽中或被驅離太陽系,餘下的或被撞得粉碎或被木星虜獲奪走,最後內太陽系只餘四個小得多的類地行星。然而這些撞擊中總有少數物質留存下來,最大的當然是尚在融解狀態就給撞飛、並形成今日月球的原地球物質,另外還有總質量達月球4-5%的小行星。由於這些星體部分未經沉積效應就給撞碎,很多都富含金屬物質(例如S型及M型小行星)。就算是C型這些含金屬量少得多的小行星,都富含碳及不少的水份;月球土壤更不用多說了,除開氧、碳及矽等這些廣義上的「金屬」,其他金屬的含量也佔37%左右,開採價值比很多地球上的礦產還高;這裏還只講一般的月壤,未計算月球火山活動帶來濃度可能更高的金屬。

谷神星上出現多個奇怪的光點,有可能是由地幔(留意,應該不是熱的)中噴出後凝結的水冰。部分原行星 / 小行星上水的含量百分比甚至比地球還高幾倍。水資源在太空中是十分珍貴的,既能作維生及工業生產用,分解的氫與氧更可作為火箭燃料 / 推進用的工質。(照片及資料來源見連結)

 

當然,在太空環境中提煉礦產,我們需要一般化學反應以外的其他反應,更需要新能源(例如大規模的核能、更高效的太陽能以至聚變發電),另外,將原料搬回地球也不合乎經濟效益,但若是作為本地 / 宇宙定居點的建材及太空工業的原料,則更為合乎經濟效益並省卻環境污染的問題!小行星及月面上有豐富金屬礦產與碳元素(主要在小行星上)以及水份(月球上的水較大機會以冰的形式存在於南北極的隕石坑以及表土下一定深度的地層中),雖然人類可能在50-100年內都未必有辦法大規模使用這些資源,但仍能預先研究採集方式與提煉方法,而且人類若要在未來20-30年內建設長期月面太空站,就需要就地取材,那現在就需要「超前」部署了。

可能在二十一世紀中期出現的半永久月球基地。除可以由地球發射上去的最重要幾個核心艙外,理論上也可派遣3D打印機械人,利用月壤作為3D金屬打印材料,就地構築其他艙段。這亦可作為月球資源利用的第一步,故此,進一步確度月壤樣本的可朔性就十分重要了。(圖片來自hunchdesign.com)

 

需要留意的是,無論太空競賽也好還是炫耀國力 / 科技實力也好,研究、發展小行星與月球表面的比單純登月 / 登火甚或登小行星都有更具體的意義,因為涉及的是更往後資源利用的先期研究:人類要繼續生存就要進軍宇宙,懂得利用宇宙的資源,否則大家屈縮在地球小圈子,遲早也因資源耗盡與及把地球環境搞到亂七八糟而自取滅亡。「我們的目標是星辰大海」可絕不是經典太空歌劇小說與動畫的中二台詞呢。

發佈於 新知
By 2020-12-11

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