月球自轉軌道幾乎垂直于黃道面，這使得月球兩極某些比較深的撞擊坑內常年無(wú)法照射到陽(yáng)光，形成了冷阱區域（年平均溫度<110 K），即永久陰影區（PSRs）。一系列遙感探測已經(jīng)發(fā)現PSRs穩定存在水冰以及揮發(fā)分，個(gè)別區域水冰含量可能高達30 wt.%（Clark, 2009; Pieters et al., 2009; Sunshine et al., 2009; Colaprete et al., 2010; Li et al., 2018）。其中水冰是非常重要的地外可原位利用資源，能夠供給宇航員的生命活動(dòng)，電解產(chǎn)生的氫氣也可用于火箭燃料。因此，國際上已經(jīng)規劃大量針對月球極區水冰以及揮發(fā)分探測的任務(wù)，例如美國的“阿爾忒彌斯”計劃、中國的嫦娥七號、嫦娥八號，俄羅斯-歐盟的月亮27號等，他們的目的是提取水和揮發(fā)分進(jìn)行質(zhì)譜和光譜的分析以確定其含量以及來(lái)源等。PSRs環(huán)境下，水冰顆粒被認為可能與月壤顆粒混合形成“臟冰”，水冰受熱會(huì )很容易發(fā)生升華，但月壤極低的熱導率（比水冰低3個(gè)數量級）對熱提取過(guò)程產(chǎn)生了極大的挑戰。而如果水冰不能完全提取，示蹤其來(lái)源的氫同位素會(huì )發(fā)生至少50‰的分餾（Mortimer et al., 2018），這對于數據解譯造成了很大的阻礙。
地外探測任務(wù)中根據載荷的配置，設計樣品中揮發(fā)分的原位分析流程為“采樣封裝-加熱-轉移-測量”。其中加熱環(huán)節則采用了加熱爐這一組件（圖1），它起到盛放樣品并直接電加熱提取水和揮發(fā)分的作用。但是，如何提高揮發(fā)分提取效率并從加熱過(guò)程中獲得更重要的科學(xué)信息？如何更好的解譯未來(lái)探測任務(wù)中的可能獲得的科學(xué)數據？這一系列問(wèn)題都對加熱爐的設計提出了要求。
圖1?地外探測任務(wù)中經(jīng)典的加熱爐實(shí)物圖（探測彗星67P的羅塞塔號菲萊著(zhù)陸器）
為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所比較行星學(xué)課題組博士生阮仁浩和導師楊蔚研究員，與郝佳龍高級工程師、郭光軍研究員合作，建立了加熱爐和樣品之間提取水和揮發(fā)分的傳熱傳質(zhì)數值仿真有限元模型（圖2），發(fā)現影響加熱爐設計的3個(gè)主要因素：月壤中水冰含量、加熱爐直徑以及功率，隨后考慮加熱爐應用于樣品質(zhì)量在毫克至噸級別的“探測-提取-原位資源利用”的不同實(shí)際場(chǎng)景，例如嫦娥七號飛躍探測極區、月亮27號提取惰性氣體以及大量開(kāi)采水冰資源等對工況的約束，指示水冰的提取可以在短時(shí)間內全部完成；但惰性氣體無(wú)法被完全提取，可能需要考慮新的加熱方式，例如微波加熱；如果在米級別尺寸的加熱爐中設計有內部結構，例如蜂窩，可以顯著(zhù)提高加熱速率至少1.5倍。
圖2?探測-提取-原位資源利用場(chǎng)景中加熱爐的有限元模型
進(jìn)一步的，他們發(fā)現加熱爐采集的溫度數據，尤其是中心點(diǎn)的升溫曲線(xiàn)，可以直接反演月壤的水冰含量。原因在于，含水冰月壤由月壤顆粒和水冰顆粒混合組成，其升溫曲線(xiàn)受控于混合組分的熱導率，而熱導率又受控于水冰含量，因此通過(guò)對不同升溫曲線(xiàn)的分析可以反演水冰含量（圖3A-圖3D），并且極限載荷功率下，例如1W，仍然能夠實(shí)現分析需求（圖3E、圖3F）。這種方法相比于后續測量環(huán)節中質(zhì)譜和光譜分析無(wú)需考慮樣品稱(chēng)重、樣品轉移過(guò)程中的吸附、損耗及泄漏等因素，是一種新的測量月壤水冰含量的方法。
圖3?通過(guò)加熱爐中心點(diǎn)升溫曲線(xiàn)判斷月壤中水冰含量的新方法
該項研究為月壤中原位提取水和揮發(fā)分的加熱爐設計提供了重要的參考意義，指出影響加熱爐設計的三個(gè)重要因素：月壤水冰含量、加熱爐直徑及其功率，根據樣品升溫曲線(xiàn)提出加熱爐可以作為月壤水冰含量測量的科學(xué)載荷。
研究成果發(fā)表于ESS（阮仁浩,楊蔚*,郝佳龍,郭光軍. Oven design for in-situ thermalextraction of volatiles from lunar regolith [J]. Earth and Space Science, 2024, 11: e2024EA003556. DOI: 10.1029/2024EA003556.）
