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我们最熟悉的太空土壤
近来我国月壤研究成果陆续问世，去年4月官方还公布了将嫦娥五号月壤样品赠送给俄罗斯和法国以供科学研究的消息，这让大家对月球土壤充满了好奇。从现代科学的角度来看，月球也是地球的“游子”，约45亿年前，一颗火星大小的星球撞击原始地球，部分撞击溅射出的高温物质重新聚集形成月球，随后月球与地球开启了各自的演化历程。然而，与地球宜居的表生环境相比，月球堪比炼狱，高真空、强辐射、昼夜温差可达300℃。在月表严苛的环境下，月表岩石发生机械破碎，叠加太阳风、宇宙射线注入以及陨石与微陨石的轰击、翻耕等作用，月表在长达亿年时间内形成了细如粉尘的一层月壤，科学家普遍认为其厚度可达数米至十几米，主要取决于月表下腹岩石的年龄。
月壤的形成过程决定了它不仅包含月球自身的岩石或矿物碎片，还含有少量的撞击体残留物与溅射物，以及这些物质与月表环境相互作用的产物。以嫦娥五号月壤为例，其主要由玄武岩碎屑、角砾岩、胶结物和玻璃珠组成，以及少量的非月海物质（高地岩石碎片）和极少量的非月球物质（陨石碎片）。除了少量是钻孔样品之外，嫦娥五号月壤大部分铲自月球表面。月表由于无大气，太阳风、陨石、微陨石等外动力可以直接与月表物质发生作用，并记录在月壤中，因此，月壤是揭示其形成过程、太空风化、撞击历史等科学和工程问题的重要窗口。
截至目前，人类共计从月球采集并返回了383.7千克月球样品，包括月表岩石、铲取月壤和钻孔样品，其中美国阿波罗载人登月任务从月球正面的6个低纬度地区取回了381.7千克月球样品，苏联的月球号任务取回了约300克月壤样品，我国嫦娥五号任务共取回了1731克月壤样品。
基于美国阿波罗和苏联月球号返回样品的研究，科学家提出了月球形成和演化的框架，例如“大碰撞起源假说”“岩浆洋假说”“晚期重型轰击假说”等，这些返回样品的研究刷新了人类对月球起源和演化的认识，促进了行星科学的建立与发展，拓展了人类对太阳系起源和演化诸多基础科学问题的认知边界，也增强了人类迈入更远深空的信心。2020年12月17日是个值得铭记的日子，我国嫦娥五号探测器携带1731克月壤成功返回地球。这是44年来人类再次实现从月表取样返回，中国也成为了继美国、苏联之后，第三个成功采集到月壤的国家。
月壤组成十分丰富
分析有一定难度
嫦娥五号月壤样品采自月球的玄武岩单元，这些玄武岩是月幔形成的岩浆溢流到月表固化而成的岩石，它们记录着月球衰老的密码。所以，嫦娥五号样品返回后，第一个需要研究的问题就是采样区下腹玄武岩的形成年龄。我国科学家为了完成这项定年任务，构建了国际一流微区分析平台，研发了离子探针超高空间分辨率的定年技术，空间分辨率从＞10微米提高到＜3微米。利用这些新技术，我国科学家对嫦娥五号玄武岩岩屑的富铀矿物进行了精确的铅同位素分析，确定嫦娥五号玄武岩形成于20.30±0.04亿年前，嫦娥五号月壤是最年轻的月球样品，这一发现也将月球的“地质寿命”延长了8亿至9亿年，刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知。
以往的月球样品研究表明，月球大约在30亿至28亿年前基本停止了岩浆活动，成为一个地质意义上的“死亡”星球。那么，如何测定月球玄武岩的年龄呢？目前主流的方法是寻找月球玄武岩中一些微细含铀不含铅的矿物，例如斜锆石、钙钛锆石、静海石等，通过分析这些矿物中放射性铀衰变形成的铅同位素组成，就可以计算出玄武岩的年龄。嫦娥五号样品是粉末状的微细月壤，没有大的岩块样品，而适合测定年龄（俗称“定年”）的斜锆石、钙钛锆石、静海石通常小于5微米，甚至不到3微米，对分析技术提出了极其苛刻的要求。
七年带回纯净太空土壤
但是拿不出来
9月24日，在太空中航行7年，一路从小行星贝努采集样本后返回的样本返回舱，带回了未受地球环境污染的外星岩石样本。为了保证这份样本维持着原本的状态，对于如何运输样本舱、开启样本舱、取出盛装样本的密封装置、提取样本等一系列操作~但一个月过去了，研究团队至今仍打不开封存着大量样本的密闭装置。
熬过最艰难的太空航行后，在地球上取出样本似乎是一个小问题。即使密闭装置卡住了，研究人员总能找到合适的工具开启它，毕竟只有几块零件出现故障。
为了探究太阳系诞生之初的状况，比如其中存在哪些化学成分，我们需要保留原始状态的行星岩石样本。由此便有了NASA于2016年发射的奥西里斯王号小行星探测器类似地，还有采集回第一批小行星样本的日本“隼鸟”任务等。
带回太空土壤
放到手套箱里进行操作
在完成采样后，探测器会将头部的采集器放入探测器底部的样本返回舱。通过晃动确认采集器被安全锁定后，样本返回舱就会被密封，直到上个月抵达地球。按照计划，NASA在收到样本返回舱后，会将它送入附近的便携洁净室，拆除样本返回舱的隔热罩和外壳，露出其中的采集器。而后它会在24小时内被送往美国休斯敦约翰逊空间中心专门准备的洁净室，并在那里把采集器转移到手套箱中。
为了避免采集器被拆开时暴露在地球大气中，一经送入目标物体，手套箱将被严格密封，其内部会持续通入流动的惰性气体—氮气，以确保样品可以安全地保存在稳定且富含氮的环境中。当然，NASA早已规划好一切拆解采集器所需的工具，并将它们提前放入手套箱中，这样科学家就可以在外部用手套操作。而问题就出现在了探测器头部的采集器上。据NASA的一篇文章报道，采集器有35个紧固件，但其中有两个出现了故障，无法使用目前批准用在手套箱中的工具拆卸。而显然，所有其他的工具均无法送入手套箱中。
保存“外来”土壤
一台好的手套箱很重要
去年，核地研院获得了50毫克的月壤粉末样品，它被置于该院实验大楼一楼一间实验室的手套箱内。该手套箱与用于核酸检测的移动方舱手套设计原理相似。不同的是，该手套箱内充满氮气，科研人员穿上白大褂，将手伸进手套箱，就能利用高倍光学显微镜进行矿物学观察和分类，然后再分别利用惰性气体质谱仪、电子探针、高精度激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪等设备，相继开展氦-3含量、矿物组成、主微量元素含量等的测定，为进一步的科学研究提供原始数据。
手套箱是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足您特定清洁要求应用的0.1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。该系统是为满足客户科研开发而设计的经济型循环净化系统。整体系统包括一台密闭箱体、一套过渡舱，一台进口旋片式真空泵和一套集成有微控制器操作面板的循环净化系统。标准的Lab2000系统配备的惰性气体净化系统安装一套净化柱（全自动可再生）净化、维护手套箱箱体内的气氛。广泛应用于无水、无氧、无尘的超纯环境，如：锂离子电池及材料、半导体、超级电容、特种灯、激光焊接、钎焊、材料合成、OLED、MOCVD等。也包括生物方面应用，如厌氧菌培养、细胞低氧培养等。
通过研究，我们有望查明制约氦-3等聚变元素核素吸附能力的月壤成熟度等一类关键科学问题，初步阐明嫦娥五号月壤样品中氦-3的富集特征及机制；厘定嫦娥五号月壤样品中氦-3的逸出特性和最佳提取温度；查明月壤样品的主、微量元素含量特征及对氦-3含量的制约；为估算月球氦-3资源量和探索月球氦-3利用可行性提供科学数据支撑。
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