月球土壤，火星土壤，小行星土壤...一幫科學家為何造土忙！

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原文以Why planetary scientists want better fake space dirt為標題

發布在2017年7月7日的《自然》新聞上

原文作者：Alexandra Witze

模擬月球、火星和小行星表面的人造土壤很難製造—— 而且往往在使用中效果欠佳

James Carpenter真的很需要一些仿製的月球土壤。位於荷蘭諾德維克（Noordwijk）的歐洲航天局（ESA）的月球探測專家Carpenter正在研製一種鑽頭，用來尋找月球上埋藏的冰。他的團隊最近從美國的一家商業供應商購買了半噸粉狀材料用來複制月球表面。但是拿到的貨品卻不是團隊想要的。「它的物理性質明顯不同，」 Carpenter說。

阿波羅15號的一名宇航員於1971年在月球上收集土壤樣品。

NASA

他的經歷又一次暴露了人造太空土壤（模擬物）長期存在的一個問題：如何用可靠的方法製造人造土，並且使產品的屬性保持一致。但是現在人們在做一些新的努力，使該領域趨於標準化。就在上個月，美國航空航天局（NASA）從八個研究中心成立了一支科學家小組來分析現有模擬物的物理性質和可用性。而且，佛羅里達州的一家小行星採礦公司正首次生產用於模擬四類小行星表面的粉末，且這些粉末具有科學上的精準性。該公司於6月28日已將其第二批產品運往美國航天局。

位於美國奧蘭多的中佛羅里達大學的行星科學家Philip Metzger說：「NASA正試圖征服人造土壤這片蠻荒之地。」

這些材料是為了模擬覆蓋行星和小行星表面的粉塵和破碎岩石的混合物。工程師們使用這些人造土壤來測試諸如鑽探和探測車之類的太空探索技術，並且來確定宇航員是否可以以太空土為原料用3D印表機或通過壓縮方式來製造結構物。科學家們還使用人造土壤來研究某些地質過程，如岩石如何在太空中風化。

泥土的缺陷

多年來，空間機構和研究團體傾向於根據需要從灰塵和砂礫，沙子和碎石，甚至玻璃珠的混合物製造自己的人造土壤。這導致這種土壤的極大泛濫; 僅月球表面模擬物就達30多種。位於阿拉巴馬州的NASA馬歇爾太空飛行中心的地質學家Jennifer Edmunson說：「有很多沒有地質學或材料處理背景的人在製作他們自己的人造土壤。」

但沒有哪種人造土壤可以重現一個行星表面的所有物理和化學性質。為工程師製作探測車而研發的混合物很可能完全無法用來研究月球的地質化學性質。

很多研究人員沒有注意到這些局限，印第安納州的聖母大學的一位月球科學家Clive Neal說。「我們沒有任何關於模擬土壤在哪些方面可以使用，在哪些方面不能使用的指導。如果你把它用於錯誤的地方，你最終得到的結果就會是有誤導性的。」

歐洲航天局在其歐洲宇航員中心製造這種月球模擬物。

Courtesy of ESA

2010年，一個月球科學家小組建議NASA建立一個資料庫，研究人員可以使用該資料庫來比對不同人造土壤的特性，並為每次應用選擇最佳的人造土壤。但NASA沒有經費來支持這個項目。新的工作組旨在列出要建立一個涵蓋所有類型的行星體的人造土壤的資料庫所需的花費。NASA太陽能系統勘探研究虛擬研究所副主任Brad Bailey表示：「我希望我們能夠建立這個資源庫。」

資料庫將包括由小行星礦業公司Deep Space Industries的奧蘭多辦公室製造的四種新型小行星人造土壤。NASA已經為未來兩年預訂了的五噸該模擬物。每個模擬物都是基於不同類型的碳質球粒隕石，科學家認為它們是一小塊小行星。

秘方

為了仿製小行星土壤，技術人員們混合各種礦物質 —— 包括來自被珠寶商用作拋光石的黃鐵礦— 將其壓成磚塊，然後粉碎。該公司研發總監Stephen Covey說：「我們必須模擬在長時間用數以千計的隕石砸向厚重石塊的過程。」

Deep Space Industries在三月份向NASA交付了512公斤的第一種模擬物，在六月份又交付了532公斤的第二種模擬物。NASA計劃將其用於諸如OSIRIS-REx等任務——OSIRIS-REx是一艘正駛向一顆小行星的航天器，其任務為收集樣本並將其帶回地球。

在歐洲， Carpenter和同事們仍然在尋找他們心中完美的月球土壤 ——但他們已經放棄從商家訂購人造土了。歐洲航天局的研究人員計劃在德國科隆的宇航員訓練中心建造月球棲息地，因而需要700噸的模擬物。他們決定從埃菲爾（Eifel）地區附近的玄武岩礦中獲取岩石並碾磨加工。?

Nature|doi:10.1038/nature.2017.22228