1、1,探索月球 嫦娥工程及人類能源之新希望,曾鏡濤教授,香港科技大學太空科學研究中心,Galileos view,2,大綱,對月球的主要科學認識月球探測活動的分期月球上的氦三 3He及人類能源之未來,3,對月球的主要科學認識,月球體積為地球的 1/49，質量為地球的 1/81。月球以橢圓軌道運動，其遠地點為 41萬公里，近地點為36萬公里。只有一面長久向地球。,月球表面基本無大氣，月表平均温度白晝 110C ，夜晚 -150 C。太陽不能照到的陰影區至 -180C。,月球現在沒有明顯的磁場，但月岩有極微弱的剩磁。表明可能曽經有過較弱的全球偶極磁場，但已在31億年前消失。,Credit: Cida
2、dao,4,月球表面的主要地形單元為月海盆地，高地，和撞擊坑。月海為低洼的大型盆地，面積在正面佔一半，背面極少。高地是月球表面最古老的地形單元，物質大部份是深成岩。撞擊坑是小天體撞擊月表形成。石碎形成圍繞月海盆地的山系。月表直徑大於1公里的撞擊坑總數有 33,000，約佔表面積的9%，直徑大於1米的撞擊坑多達 3兆個。,月表覆蓋著一層由岩石碎屑，粉末等組成的鬆散月壤。其平均厚度在月海為 4-5米，高地為 10-15米。,月球表面沒有水體，但在南北極的永久陰影區可能存在水冰，可能是彗星撞擊後殘留下來的。,5,月球有一個60公里深的厚月殼 (地球10-40公里) 。一個相當均一的岩石圈 (60-1
3、,000公里) ，和一個部份液化的軟流圈 (1,000-1,740公里) 。在軟流圈的底部可能有一個小的鐵核或硫化鐵核。,月球總體形態有輕微的不對稱現象。背面月殼較厚，而火山熔岩填充的大型月海盆地和質量瘤大多存在於月球正面。質量瘤多位於大型月海盆地表面之下。,月殼,岩石圈,軟流圈,6,月球起源的理論主要有四種假說：捕獲說，共振潮汐分裂說，雙星說，和大碰撞分裂說。近年來，大碰撞分裂說在大量的證據支持下得到了大多數學者的認可。,From: Kokubo et al.,7,根據對月球各類岩石的成份，結構與形成年齡的研究，月球演化的歷史重大事件可歸納為以下幾個階段：,1.月球形成年齡約 45億年。,2
4、.月球形成後曾發生過較大規模的岩漿洋事件，于 41億年前形成月殼，月幔，和月核。,3.在 40-39億年前，月球曾遭受到小天體的劇烈撞擊，形成廣泛分佈的月海，稱為雨海事件。,4.在 39-31億年前，月球發生過多次劇烈的玄武岩噴發事件，充填了月海，厚度 0.5-2.5公里，稱為月海泛灠事件。,5.31億年以來，無大規模的岩漿火山或構造事件，但小天體撞擊仍然頻繁發生。,8,月球探測的分期,第一次月球探測高峰期 (1958-1976),美國與蘇聯共發射108個月球探測器，成功或部份成功52個。,寧靜期 (1976-1994),1976年後的18年間，沒有任何成功的月球探測活動。,重返月球,2004
5、年1月，美國布什總統宣佈:要在2008年前開始發射無人月球探測器， 2015-2020年重新載人登月，並在月球上長期居留，以月球為跳板，在2030年前把太空人送上火星。由1994開始至目前為止，有多國發射。共5次，5次成功。,9,月球探測的爭先期 (1958-1976),蘇聯,LUNA 系列 (無人探測器) 45 次發射，17次成功,LUNA 159年1月2日發射 。 59年1月4日於月表5995公里經過。是首枚進入繞日軌道的飛行器。重361公斤。 LUNA 259年9月12日發射， 33.5小時後撞月(9月14) 。首枚到達月球表面。證明月球無明顯的磁場和輻射圈。LUNA 359年10月4日
6、發射。拍攝到首幅月背照片。LUNA - 966年1月31日發射。首枚軟著陸探測器。LUNA - 1070年9月12日發射。首枚以機械方法帶回月球樣品(在Apollo 11 與12 之後為第三) 。,ZOND 系列 (準備載人登月) 12次中6次成功,LUNA - 1676年8月9日發射。系列中最後一次。,ZOND 5 68年9月15日發射。首枚繞月飛船。,LUNA 1,Proton K & Zond circumlunar spacecraft,10,美國,無人探測器,Pioneer 系列5次發射，4次成功 Pioneer 459年3月3日發射。59年3月4日離月球6萬公里外飛過。是首枚美國脫
7、離地球引力的美國飛行器。重5.9公斤。,Ranger 系列 9次發射，最後3次成功(64年7月28日-65年3月31) 目的在撞擊月球前 (距離5公里至600米) 映相。 證明不容易找到平滑的登陸點。,Lunar Orbiter 系列5次全部成功 (66年8月10日 - 67年8月1日) 繞月。拍攝 99%月表，可見度60米 (5號於局部區域可見20米)。,Surveyor 系列 7次發射，5次成功 (66年5月30日-68年1月7日) 目的在軟著陸，分析月壤。,Pioneer 4,Lunar Orbiter,Surveyor,Ranger 7 - 1st US probe photo,11,
8、載人飛船,Apollo 系列 15次， 14次成功 (1967年11月9日 1972年12月7日)Apollo 467年11月9日發射首次 Saturn V 試飛 (無人)Apollo 868年12月21日發射首次載人繞月Apollo 1169年7月16日發射首次載人登月 (7月20日)Apollo 1772年12月7日發射系列最後一次登月(12月11日) 載人太空船包括兩部份： 操控囊+登月囊 帶回月球樣本共382公斤。,Apollo 11Saturn V,Apollo 17 Mare basalt,12,休整期 (1976 1994),90年1月24日日本發射Muses-A探測器，有兩部份
9、:Hiten 與 Hagoromo。Hagamoro 在3月放出繞月，但失去聯絡。Hiten為第一部利用低能量軌道的探測器 (缺燃料)。,13,新一輪的熱潮 (1994開始),Clementine94年1月25日發射在繞月三個月間發回一百八十萬張數碼圖片。重大科學發現:某些月球的撞擊坑內可能有水。,美國,Lunar Prospector1998年1月7日發射中子譜儀探測水的氫原子。都卜勒引力實驗探測月球重力塲，証明月核很細小，支持撞擊分離假設。,可能有水,Lunar Prospector,14,歐盟,SMART-12003年9月27日發射solar-powered Hall effect th
10、ruster利用低能量軌道 2005年3月15日開始繞月(400-3000公里) 2006年9月3日撞月,日本,月亮女神 2007年9月14日發射帶兩顆小衛星作定位通訊用,中國,嫦娥1號2007年10 月24日發射科學儀器已全部啟動,Hall thruster,SMART-1 orbit,15,俄羅斯,將於2009年發射 Luna-Glob,德國,將於2012年發射 Lunar Exploration Orbiter,印度,將於2008年7月發射 Chandrayaan 1,美國,將於2008年10月發射 Lunar Reconnaissance Orbiter,16,可見度 25公里,可見度
11、 1.5公里,Webcam from Tourist Association,Side Effects of Fossil Fuel 化石燃料的副作用,17,能源的選擇,化石燃料 温室效應，存量日趨短缺。風力，太陽能，生物燃料 昂貴，數量不足，只可供輔助用途。核裂變 有安全、核擴散、原料供應與廢料處理等問題。核聚變 科技尚有難題，但相對安全而高效能。,18,Nuclear binding energy origin of nuclear energy,19,20,核聚變反應,氦-3 + 氦-3 氕 + 氕 + 氦-4 12.9 MeV,氘 + 氚 中子 + 氦-4 17.6 MeV,I. 氚
12、燃料,II. 氦-3 燃料,21,Neutron shielding in a fusion reactor,D-T is the most easy reaction to achieve breakeven, but most of the energy embedded in the 13-Mev neutron, which requires a thick (i.e. expensive) reactor first-wall to absorb its energy.DHe3 & He3He3 reactions do not generate neutron at all, so
13、 their energy can be directly converted to electricity at high efficiency.,22,不過，地球上氦3的存量少於1噸 !,3He + 3He 核聚變反應爐的特色無溫室氣體與酸性氣體高效能 ( 70%)安全、無廢料，不破壞爐壁,23,24,25,International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER),An international tokamak (magnetic confinement fusion) research/engineering project tha
14、t will help to make the transition from todays studies of plasma physics to future electricity-producing fusion power plants.The program is anticipated to last for 30 years 10 for construction, and 20 of operation and cost approximately 5 billion (US$7.6 billion).It will be based in Cadarache, Franc
15、e. It is technically ready to start construction and the first plasma operation is expected in 2016.On September 24, 2007, the Peoples Republic of China became the seventh party who had deposited the ITER Agreement to the IAEA.,26,月球上證實有3He阿波羅11, 12, 14, 15, 16, 17號和前蘇聯Luna 16, 20 號的月球樣本都存有3He。目前估計月
16、表存有一百萬噸的3He 。,Apollo 17 astronaut digging moon soil,27,月球樣本的氦含量,高地樣本,月海樣本,美國 阿波羅11, 12, 14, 15, 16, 17號,前蘇聯Luna 16, 20 號,28,月表氦3的濃度與月壤的成熟程度和鈦鐵礦顆粒(TiO2)含量有密切的關係,29,太陽中心的核反應產生了 3He，再由太陽風帶到月球。,30,Origin of Lunar He-3,Solar wind and the magnetosphere,32,Aurora on 6 January 1998(Dick Hutchinson ),33,Dist
17、ribution of Helium-3 on the lunar surface depends on,Solar wind fluence Soil chemistry, in particular the titanium content, because ilmenite (FeTiO3) retain helium-3 much better than other major lunar minerals Lunar surface optical maturity,34,Most recent theoretical estimate of lunar He-3 reserve,U
18、sing the Apollo lunar samples and Clementine UV/VIS multispectral data, three factors: solar wind flux, regolith maturity, and TiO2 content, are combined for estimation of global 3He surface distribution.The lunar inventory of He-3 is estimated as about 6.50 108 kg, with 3.72 108 kg on the lunar nea
19、rside and 2.78108 kg on the lunar farside.,35,我国绕月探测工程首席科学家欧阳自远 Ouyang Ziyuan,36,ChangE Project 嫦娥工程 & 3He,Cosmochemist and geochemist Ouyang Ziyuan from the Chinese Academy of Sciences who is now in charge of the Chinese Lunar Exploration Program has already stated on many occasions that one of the
20、 main goals of the program would be the mining of helium-3Each year three space shuttle missions could bring enough fuel for all human beings across the world, said Ouyang - China Daily: 2006-07-26,37,欧阳自远与上海天文台副台长叶叔华做的一次关于“欧洲智能一号与中国嫦娥一号”比较的演讲,探测土壤厚度，估测He-3资源。He-3作为月球最重要的矿产之一，对于未来的能源走向有很明显的指向作用，哪个国家
21、能够先挖掘出He-3的利用方式就能在未来的能源战中取得优势。He-3的优点在于无辐射，可靠，廉价，安全，有效。它的核聚变产生的能量约为一般的核电厂产生能量的93倍，估计月球上He-3的储 量大约在180万上下，足够地球未来上万年之用。http:/ 1 spacecraft, Chinas first lunar probe satellite,Launch date 2007-10-24 18:05:04.602 CSTat Xichang Satellite Launch Center,39,ChangE 1 - Objectives,Complete coverage of the Moo
22、n and obtaining three-dimensional images of the lunar surface, including areas near the north and south poles not covered by previous missions. Probing useful elements on the Moon surface and analyzing the elements and materials, including Ti.Probing the features of lunar soil and evaluating its dep
23、th, as well as the amount of helium-3 (He) resources.Recording data on the primitive solar wind and studying the impact of solar activity on the Earth and the Moon.,40,Instruments on ChangE-1:,Stereo camera with an optical resolution of 120 m and spectrometer imager from 0.48 m to 0.96 m wavelength.
24、Laser altimeter with 1064 nm, 150 J laser and a resolution of 1 m.Gamma and X-ray spectrometers for an energy range from 0.5 to 50 keV for x-rays and 300 keV to 9 MeV for gamma rays.Microwave radiometer detecting 3, 7.8, 19.35 and 37 GHz with a maximal penetration depth of 30, 20, 10, 1 m and a ther
25、mal resolution of 0.5 K.High energy particle detector and two solar wind detectors capable of the detection of electrons and heavy ions up to 730 MeV.,41,Gamma and X-ray spectrometers to detect heavy elements, e.g. TiMicrowave radiometer to measure thickness of lunar regolithHigh energy particle detector and two solar wind detectors solar wind measurements,Instruments on ChangE-1: All aims at He-3,42,3He 的能量太空穿梭機一次的裝載(約30噸)可供全美國一年用電即使是十億美元一噸的成本價錢，亦只相當於七元一桶的石油,FreeP,43,44,45,46,謝謝,
