月球上是否有豐富的地質資源?

日前,美國總統George W. Bush 在今年的一場公開演講中宣示他的太空計畫,他宣布將在2014年-也就是人類首度登月的40年後,將要重返月球,並且在月球上設立一個基地,但是在這個計畫中,太空人們是打算在月球上長期駐留呢?抑或只是一趟長程的露營活動呢?

當年的Apollo 11的太空人在月球上待了不過幾十個小時,他們只需要一些氧氣、食物、燃料,便可以應付那一次的任務所需,但是,如果我們要在月球上面待幾個禮拜甚至數個月,這些食物、飲水、燃料等問題可就不簡單了。另外,花了那麼多的資源去投入月球計畫,又有什麼意義?其實這些問題的解答就在月球的資源上。在演講上,美國總統布希說:「The moon is home to abundant resources」,科學家們也同意在月球上的確有一些可用的資源存在,例如水形成的冰、各種不同的氣體被封藏在月球的土壤中等,但這裡面仍然存在一些問題,例如它們的量到底有多少?要將它們從月球土壤中萃取出來是否實際可行?這方面的資料與訊息仍是嚴重的不足。

或許有很多人感到意外,在月球上最重要的資源不是黃金等貴重金屬,而是水,因為對月球基地來說,水的存在是非常重要的,它可以解決太空人的飲水問題,而藉由水的分解,氧氣可以提供人類呼吸,氫氣和氧氣則可作為能量的來源,只要幾噸的氫氧燃料,就可以把太空船送回宇宙,因此Paul Spudis-一位John Hopkins University的應用物理學家就說「來自於冰的水是最重要的月球資源」。

理論上,這些水可能存在於月球的兩極區域,它的來源是因為帶著冰的隕石撞擊月表後,將這些冰帶上月球,這些冰就會在陰暗的兩極區域的土地中保留下來,但是科學家一直爭論一個問題,這些冰到底有多少? 1996年,Spudis 根據美國國防部Clementine (圖一)衛星所發射的雷達波經由月球表面反射,再由地球上的雷達波望遠鏡所接收的訊號,他推定月球上的土層當中有1.5﹪是冰,這個量是很驚人的,因為如此一來,我們將可很輕易的從這些土層的冰中取出水再加以分解利用。而根據月球探測衛星Lunar Prospector(圖二) (1998年發射升空)所做的光譜分析,也有類似的結果,其顯示月球極區土層中可能含有佔總重約0.5﹪-﹪的量是冰(圖三),雖然這比Spudis估計的少,但也足夠月球基地所需了。

但是在另外一方面,根據Donald Campbell-Cornell University的物理學家和其同仁,利用波多黎各的Arecibo 天文望遠鏡所觀察月球表面無線電回波的分析,他們認為沒有明顯證據顯示月球上有冰的存在。而當衛星Lunar Prospector(圖二)在任務結束時,墜毀在月球南極區域所形成的柱狀塵埃碎片中,科學家們也沒有偵測到月球岩層中有冰的存在。

月球上是否有水存在,到現在為止,仍是一個待解決的問題。

月球上太空人可利用的另一資源便是各式各樣的氣體,因為太陽的核融合反應所產生,再藉由太陽風所帶來的各種元素,例如氮、氧、碳,以各種形式大量的存在於月球土層當中,而令人雀躍的是,我們可以用簡單的加熱方式逼出這些封藏在土層中的氣體,例如;CO2、CO、CH4、N、H2等等,這些氣體可藉由各式的反應,形成各種所需的資源,例如,水或空氣。而後我們又可利用水作為能源來除去月球地表上的含鐵鈦礦物(鈦鐵礦,FeTiO3)中的氧,開發月球上的鈦和鐵金屬資源。

太陽風帶來的He-3同位素,就長遠的未來上看,可能是月球上一個更珍貴的資源。因為He-3同位素是日後進行核融合發電的重要原料,利用He-3之間的反應或是He-3與重氫的核融合反應,可放出巨大的能量卻僅產生非常少的核廢料。威斯康辛大學的物理學家Gerald Kulcinski 說,如果全美國的發電廠都改為He-3/H-2 (deuterium 重氫)反應爐,則只要40噸的He-3便足以供應全美國在2004年整年所需的電力。而在地球上,可以被開採的He-3大概只有幾百公斤,但在月球上,He-3卻高達數百萬噸。但是,事實上,在月球上開採He-3,仍有許多的問題,例如,帶有He-3的太陽風打到月球上是打到月球的遠地面(圖四),但是可用來有效保存He-3的鈦鐵礦大部分卻分佈在月球的近地面(ps:因為月球沒有大氣層,氣體如暴露在地表,便會直接散失到宇宙中,這也是為什麼水只能以固態冰保存的原因之一,因為液態水在真空中會變成水氣而散失),因此當我們開採這些鈦鐵礦中所含的He-3氣體時,它的含量是很少的,甚至可能僅佔總開採重量的億分之一,亦即意味著如果要開採足夠的He-3我們可能得挖開大量的月球表土!另外,在地球上的科學家也尚未開發出可以用來進行核融合反應的反應爐,這些都是目前科技仍無法解決的問題,當然,我們也別忘了,我們從月球上開採的資源,要怎麼帶回地球?

最後,暫且不論以上的資源要如何開發,首要的課題是-我們要確定在月球上的各項資源,它們的量到底有多少?分佈的範圍在哪裡?甚至到底有沒有?這些資訊是很重要的,因此在NASA 2005年的計畫當中,包含了利用機器人探勘月球的任務,希望能針對上述的問題作進一步調查,其成果也許可以告訴我們未來上月球的太空人是可以自行依賴月球的土地為生呢,還是說地球上的我們必須支付星際運送費用、不斷的運送物資來維持他們在月球上的生存。

參考資料:

Seife, C. (2004) Moon's “abundant resources”- Largely an unknown quantity. Science vol. 303, 12 March 2004, p. 1603.

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/ice/ice_moon.html

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunarprosp.html

 


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