地質機器人：月球探索的下一步
2025年10月13日, 19:11 (更新: 2025年10月13日, 19:12)
© Scientific Russia / Olga Merzlyakova
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人類正再次瞄准月球——與半個世紀前的任務不同，這次並非進行單獨的考察，而是以有效探索和建立研究基地為目標。
然而，在此之前，必須仔細勘察和研究資源的分布、其成分和濃度——這項任務將由機器人來完成。俄羅斯科學院維爾納茨基地質化學和分析化學研究所的科學家們為此制定了一個多階段研究項目以及所需月球車的方案。
月球的哪些區域是科學家們感興趣的？能否將地球上的地質勘探方法移植到月球上使用？地質探測車面臨哪些任務？在《科學俄羅斯》雜誌對俄科院月球和行星地質化學實驗室主任葉夫根尼·斯柳塔的採訪中，回答了這些問題。
問：幾十年來，人們一直利用望遠鏡、軌道器和著陸器研究月球。未來涉及月球車的任務將承擔哪些工作？
與其他天體相比，月球仍然是研究最為透徹的對象。其表面已被眾多自動站考察過，包括蘇聯的月球車和"阿波羅"計劃的載人任務。在為月球設定新的研究任務（無論是基礎性的，還是其直接開發和未來任務規劃所必需的）之前，我們仍在深入分析以往考察的成果。基於這些信息，我們瞭解了在月球開發的初始階段，哪些地質、地球化學和月球資源數據至關重要。不利用當地資源，對月球的開發幾乎是不可能的。
月球的基礎研究——涉及其地質學、地球化學和地球物理學的問題——與應用科學任務緊密交織，因為這些研究可以提供關於我們這個天然衛星表面必要資源分布的信息，而這些信息在不久的將來就會需要。
月球的基礎研究——涉及其地質學、地球化學和地球物理學的問題——與應用科學任務緊密交織，因為這些研究可以提供關於我們這個天然衛星表面必要資源分布的信息，而這些信息在不久的將來就會需要。
問：在俄科院地化所，制定了使用三個機器人探索月球的概念。這是一個怎樣的項目？
有一個被稱為地質勘察與勘探方法的概念，它將基礎研究與勘探工作相結合，從而能夠評估哪些資源以何種濃度分布。這套方法在地球上已很成熟：我們的星球就如同其他任何宇宙天體一樣，因此所使用的地球化學、地質學和地球物理學方法是通用的，適用於探索月球、火星及其他行星，包括小型天體。
要解決此類任務，需要對技術設備和科學儀器進行現代化改造，並考慮其在太空中的運行。例如，為進行區域地質勘察與勘探，曾提出一個能夠至少行駛500公里的重型月球車項目。該機器人的研發始於2006-2007年：發表了一系列文章，明確了概念和技術要求，以確保該月球車能夠在漫長的路線上，首先是在月球表面地質和地球化學視角最令人感興趣的區域內，完成所有區域地質、地球化學和地球物理勘察與勘探的任務。
要解決此類任務，需要對技術設備和科學儀器進行現代化改造，並考慮其在太空中的運行。例如，為進行區域地質勘察與勘探，曾提出一個能夠至少行駛500公里的重型月球車項目。該機器人的研發始於2006-2007年：發表了一系列文章，明確了概念和技術要求，以確保該月球車能夠在漫長的路線上，首先是在月球表面地質和地球化學視角最令人感興趣的區域內，完成所有區域地質、地球化學和地球物理勘察與勘探的任務。
問：哪些區域是科學家們特別感興趣的？
從地質學上看，月球赤道地區風暴洋附近的呂姆克火山岩區域非常有趣。那裡含有從最古老到最年輕的海相玄武岩，年齡從40億年到10億年不等。此外，該區域還存在各種類型的岩石，這使得它對月球車勘探而言極具前景。
月球的極區從科學角度看也很有趣。月球的軸線幾乎垂直於黃道面，這意味著太陽以切向方式照射極區，晝夜由地形決定。這造就了月球日持續時間佔整個月球週期80%-90%的區域。科學家稱這些區域為"永恆之光峰"。在這些地方，幾乎可以提供持續的太陽能，這對於建立月球研究站至關重要。此外，極區月壤中存在水冰。關於此類資源濃度的早期儀器數據是在20世紀末利用中子光譜儀獲得的。
俄羅斯科學院維爾納茨基地質化學和分析化學研究所月球和行星地質化學實驗室主任葉夫根尼·斯柳塔
© Scientific Russia / Olga Merzlyakova
我們正在開發在赤道地區和兩極使用重型地質月球車進行勘探的路線，這將允許進行長期研究。該月球車的主動任務時間計劃至少為兩年。我們初步開發的科學設備組合包含三個主要部分：一個帶有各種光譜儀（包括紅外光譜儀）並與技術視覺相結合的科學導航系統；一個地質勘察組合，包括一個用於採集深度達3米月壤岩芯的鑽機；以及兩個用於從表面採集樣本並將其放入存儲盒的機械臂。每個樣本都詳細記錄了採集時間、地點、條件、坐標和採樣點照片。這就是地質勘探的精髓。第三套設備是地球物理設備，包括連續探地雷達、磁力計和梯度儀，用於連續採集地球物理數據。
在送達地球後，編號的樣本可以被映射並與月表地形關聯起來，從而構建月球上各種岩石類型的分布圖，同時考慮其地球化學和礦物成分，以及它們與大小隕石坑和表面其他構造的關係。
問：那麼，樣本將被送回地球，而不是在原地分析？
是的，未來的任務計劃將樣本返回地球，無論是通過自動方式還是載人考察。地質月球車能夠收集的材料對科學來說將是無比珍貴的：即使其唯一目的是收集樣本並將它們送回地球而無需額外研究，一次載人任務也是值得的。
我們的國際同行也在進行類似的項目。美國宇航局的"耐力"號計劃規劃了約1000公里的路線，以探索最大的撞擊構造之一——月球南極的艾特肯盆地，其直徑約2000公里。這是一個獨特且最古老的撞擊構造之一。中國同行也計劃了類似的研究：大家都明白，此類任務是月球探索的重要工具。
我們的國際同行也在進行類似的項目。美國宇航局的"耐力"號計劃規劃了約1000公里的路線，以探索最大的撞擊構造之一——月球南極的艾特肯盆地，其直徑約2000公里。這是一個獨特且最古老的撞擊構造之一。中國同行也計劃了類似的研究：大家都明白，此類任務是月球探索的重要工具。
問：對於一個國家來說，實施此類帶有地質月球車的月球任務在經濟上是否可行，還是需要合作？
發達國家可以獨立實施這樣的計劃；成本並非高不可攀。這是一次常規的自動化考察，類似於上世紀進行過的那些：例如，蘇聯的"月球車2號"計劃。如今，有幾個設備正在火星表面運行，常年研究這顆行星。不存在技術難題會使此類任務無法實現，而且與任何載人任務相比，這些都是相對低成本的項目。
問：載人任務有多必要？有一種觀點認為，現代的自動化設備已經足夠精密，可以解決大部分科學任務，同時成本遠低於載人考察……
當然，與資源勘探和勘察相關的任務可以由自動站和自主駕駛的機器人平台有效解決，這些平台正在積極研發中。然而，月球開發意味著更多：它需要人類永久或週期性的存在。
這種開發需要工業級利用當地資源來建設基地、維持生命支持以及生產火箭燃料——實質上，是形成月球經濟。這產生了許多需要訓練有素的人類操作員直接參與的任務，尤其是在開發的初始階段，例如，在月球表面建立初級基礎設施。一項必須由人監督的獨立任務是深層鑽探。我們已經與其他研究所的同事一起開發相應的裝置。在月球上進行深層鑽探與地球鑽探有根本區別，因為月球是一個獨特的世界，由不同的規律塑造而成。它是一個無空氣天體，在整個地質歷史中一直遭受強烈的隕石轟擊。這導致了月壤的形成——一層覆蓋整個表面的鬆散層。其堆積過程已持續超過四十億年。
這種開發需要工業級利用當地資源來建設基地、維持生命支持以及生產火箭燃料——實質上，是形成月球經濟。這產生了許多需要訓練有素的人類操作員直接參與的任務，尤其是在開發的初始階段，例如，在月球表面建立初級基礎設施。一項必須由人監督的獨立任務是深層鑽探。我們已經與其他研究所的同事一起開發相應的裝置。在月球上進行深層鑽探與地球鑽探有根本區別，因為月球是一個獨特的世界，由不同的規律塑造而成。它是一個無空氣天體，在整個地質歷史中一直遭受強烈的隕石轟擊。這導致了月壤的形成——一層覆蓋整個表面的鬆散層。其堆積過程已持續超過四十億年。
地質機器人：月球探索的下一步
© Scientific Russia / Olga Merzlyakova
月壤的厚度因區域而異。在最年輕的月海中，平均厚度為4-5米，最大可達九米。在月陸上，該層明顯更厚——平均約10米，在某些區域可達18-20米或更多。鑽探至15米深度幾乎可以在月球任何地方觸及下伏的基岩。帶回地球的層狀月球月壤柱將成為無價的知識來源，記錄了自下伏岩石形成以來的整個月球歷史。每一層都包含了四十億年來太陽活動、太陽風成分、甚至地球大氣層和磁層演化的信息。月壤如同羅塞塔石碑，保存著"地月系統"的歷史；我們只需要收集樣本並破譯它們。
問：目前，用於月球探索的機器人製造處於甚麼階段？
我們開發了一系列機器人，每個都旨在解決特定任務。我所討論的重型地質月球車的概念，在聖彼得堡的中央機器人技術與工程控制論研究所已經得到了很好的開發。實質上，它幾乎已準備好進入建造和實驗設計工作階段。
第二種是中型機器人，一種地質偵察型，用於勘探工作。它的任務不是沿路線收集樣本，而是研究最有價值的月球資源的揮發性組分的分布、濃度和化學成分。這些資源在月球開發的初始階段將會有很高需求。該機器人配備了一個鑽探裝置和一個鐘形罩，該罩體降落到月球表面並密封該區域。鑽頭深入至2米深度，收集鐘形罩下的含揮發性組分的漿狀物。通過機械和熱作用，這些揮發性組分（包括凍結碎片）被轉化為氣態，送入質譜儀進行分析。這將允許繪制揮發性組分（包括水冰）的沈積圖。
該月球車的技術方案由拉沃奇金科研生產聯合體開發。該設備已達到相當高的技術階段，幾乎已準備好開始其製造的實驗和設計工作。
第三種是小型地球物理月球車。其任務是詳細調查未來用於月球開發的基礎設施選址，包括確定月壤厚度和大型岩石的分布。這實質上與在地球上建築施工時進行地球物理勘察相同：在開始建造之前，必須瞭解選址是否安全。製造此類機器人是一個相對遙遠的階段，因此尚未詳細開發。
該月球車的技術方案由拉沃奇金科研生產聯合體開發。該設備已達到相當高的技術階段，幾乎已準備好開始其製造的實驗和設計工作。
第三種是小型地球物理月球車。其任務是詳細調查未來用於月球開發的基礎設施選址，包括確定月壤厚度和大型岩石的分布。這實質上與在地球上建築施工時進行地球物理勘察相同：在開始建造之前，必須瞭解選址是否安全。製造此類機器人是一個相對遙遠的階段，因此尚未詳細開發。
問：第一批此類設備何時能製造並送往月球？
新的直至2036年的聯邦航天計劃目前正在審批中，這些項目正在審議中。它們需要經過俄羅斯科學院太空委員會和俄羅斯國家航天集團的批准。如果項目獲得通過，到今年年底我們可能會明確這些設備的製造和發射時間表。
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