2025年11月17日

 

• 作為極地探險家計畫的一部分，研究人員測試了能夠在月球上尋找水冰的測量工具和機器人。
• 當人類重返月球時，他們將需要資源：水冰也可以用來生產火箭燃料或飲用水。
• 在 700 平方公尺的土地上模擬 LUNA 月塵的真實環境。
• 重點領域：太空旅行、月球、機器人技術、探索、行星研究

 

月球上存在水冰的可能性極高。例如，在南極地區，一些從未見過陽光的隕石坑中就可能存在水冰。水冰或許已經在這些「冷阱」中隱藏了數十億年。人類重返月球後能否利用這些水？這些水是凍結在月塵中，還是以化學鍵的形式存在？又或者，在陰暗的隕石坑、地表或地下是否有冰層？許多問題仍未得到解答。為了更接近答案，德國航空航天中心（DLR）與幾所大學合作，在科隆的月球實驗室（LUNA）進行了探測月球水的測試。該實驗室能夠為載人或無人登月任務提供實際的準備。

LUNA 為研究人員提供了一個佔地 700 平方米的模擬月塵區域。這種物質與月壤極為相似，因此非常適合用於測試測量儀器和機器人。 「如果我們想在月球上找到並繪製水冰分佈圖，就需要具備很強的月球表面機動性。因此，我們部署了兩輛配備特殊儀器的探測器。結合不同的方法有很多優勢，而且在這裡也證明了其可靠性，」德國航空航天中心 (DLR) 太空研究所的妮可·施密茨 (Nicole Schmitz) 解釋道。她與 LUNA 團隊共同領導了「極地探索者」計畫。初步成果已經出爐：研究人員取得了成功——他們在 LUNA 大廳內找到了模擬水冰並繪製了其分佈圖。目前，收集到的數據正在進行詳細分析。

 

如何在月球模擬中找到水冰？

LUNA 大廳的深層地面深達三米，完全被月壤填滿。它不僅隱藏著一個熔岩洞穴，還隱藏著無數的壓克力玻璃元件。對於所使用的雷達儀器來說，這些元件看起來像是隱藏在地表下的純水冰：純冰與月壤之間的對比與壓克力玻璃和 LUNA 月壤之間的對比度非常相似。這正是雷達偵測到的。一個地震源（PASS——便攜式主動地震源）為極地探索者計劃產生了額外的可測量振動，使地面的模擬水冰顯現出來。一條光纖電纜（這種電纜也可以在月球上鋪設）事先鋪設完成。該結構構成了一個獨立的地球物理網絡，用於所謂的分佈式聲波感測（DAS）。光纖電纜的微小形變指示著地表運動，從而可以深入了解地下結構。

例如，在月球岩石中也檢測到了水，水可能被困在礦物顆粒的晶體結構中，也可能存在於火山玻璃中。為了檢測岩石樣本中的氫，研究人員使用了一種名為雷射誘導擊穿光譜法（LIBS）的技術。 LIBS 利用脈衝雷射在樣本材料中產生微小的等離子體雲。等離子體發出的光可以提供有關材料元素組成的資訊。 LIBS 裝置安裝在一個有效載荷箱內，並由機械手臂將其直接指向目標。該機械臂是德國航空航天中心（DLR）機器人與機電一體化研究所的輕型漫遊車單元 2（LRU2）的一部分。

LRU2 的設備不僅可以搭載雷射探測器，還能採集樣本並自主執行和計算任務。它與 LRU1 組成探測車團隊。 LRU1 以三維方式繪製月球表面影像。它使用多光譜立體全景相機拍攝月球表面，該相機寬大的「頭部」使其易於識別。這些相機能夠捕捉到遠超人眼可見波長範圍的影像資料。在月球上，這使得人們能夠記錄、繪製和量化月球表面的礦物組成資訊。此外，探測車還能利用地形模型找到到達目的地最安全的路線。

在極地探索者計畫中，LRU1 拖曳著一輛裝有探地雷達的拖車，用於掃描地表以下區域。結合相機數據，研究人員可以獲得勘測區域（包括地表和地表以下）的三維影像。而在月球任務中，這些儀器自然會安裝在月球車內部，而不是拖車上。

 

成功完成任務概念彩排

這項計畫源自於德國航空航天中心 (DLR) 研究人員向歐洲太空總署 (ESA) 提出的任務概念。此任務概念有可能被選中用於未來使用「阿爾戈英雄」登陸器的登月任務。目前，「阿爾戈英雄」登陸器的模型正在月球展廳展出。這是一款旨在提供基礎設施系統、儀器和資源的航天器。 「在這個任務概念的框架下，我們首次將所有要素整合在一起：負責探測車和儀器的團隊已經測試了完整的運行流程。他們證明所有要素都已準備就緒並正常運行，」妮可·施密茨補充道。

 

從埃特納火山到LUNA大廳

LRU1 和 LRU2 擁有豐富的崎嶇地形導航經驗：它們已經在義大利埃特納火山的訓練任務中證明了自己的實力。在 ARCHES 任務期間，LRU1 和 LRU2 與其他機器人協同工作，探索該區域並採集樣本。 「即使在 LUNA 實驗室裡，這些探測車也能自主導航、避開障礙物，並選擇和部署合適的儀器。我們在極地探索者計畫中的所有目標都已實現，」德國航空航天中心機器人與機電一體化研究所的 Martin Görner 博士說道。這些探測車也很好地應對了模擬的複雜光照條件：在月球極地地區，太陽總是低垂在地平線上，會使相機系統產生眩光。 LUNA 實驗室裡的太陽模擬器正是模擬了這種效果。

 

水究竟是如何到達月球的？

「科學家過去一直認為月球完全乾燥，」行星科學家妮可·施密茨解釋說，「現在我們掌握了大量證據表明月球上存在水冰——但與此同時，也存在許多未解之謎。這令人無比興奮。」這些冰可能是彗星或冰質微隕石撞擊月球形成的，也可能是太陽風與月塵相互作用的產物，甚至可能是早期火山活動的遺跡。 「如果我們解開了這個謎題，我們也能更深入地了解太陽系的演化歷史，」妮可·施密茨說。

水冰對於探索也至關重要：如果人類要在月球上工作和生活，就需要取得資源。飲用水是關鍵問題。水分解成氫氣和氧氣後，還可以用來生產火箭燃料。

 

[照片]

(A) 機器人團隊合作：LRU1 和 LRU2 與 LIBS 協同工作

兩輛月球車LRU2（左）和LRU1正在LUNA探測大廳內進行偵測。 LRU2正利用其機械手臂調整位於金色盒子內的雷射誘導擊穿光譜儀（LIBS）的對準位置。 LIBS利用脈衝雷射分析岩石等物體。研究人員一直在LUNA探測大廳內測試能夠偵測月球水冰的測量工具和機器人。

(B) 在LUNA大廳進行了大量測量

地表和地下都佈滿了電纜網路。這個網絡的微小變化就能揭示地下的結構。月球實驗室的研究人員測試了能夠探測月球水冰的測量工具和機器人。

(C) 在LUNA大廳進行實驗的準備工作

岩石成分對於尋找水也至關重要：研究人員使用特殊的光譜儀進行探測。為了實現這一目標，探測車必須能夠識別和分析岩石。研究人員在月球探測大廳（LUNA）測試了能夠探測月球水冰的測量工具和機器人。

(D) LRU1 利用其專用相機拍攝 LUNA 大廳的表面。

LRU1 以視覺和三維方式繪製月球表面地圖。它使用多光譜立體全景相機拍攝月球表面影像，該相機寬大的「頭部」使其易於識別。這些相機看到的遠不止於顏色。它們測量的影像資料波長範圍遠遠超出人眼的感知範圍。這使得研究人員能夠獲取、繪製和量化月球表面的礦物組成資訊。研究人員還在 LUNA 大廳測試了能夠探測月球水冰的測量工具和機器人。