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 Galileo’s view

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

對月球的主要科學認識 Credit: Cidadao 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 110C ，夜晚 -150 C。太陽不能照到的陰影區至 -180C。 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。

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。

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 (60-1,000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

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.

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. 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。

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。 由1994開始至目前為止有5次發射， 5次成功。多國參與。

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 首枚到達月球表面。證明月球無明顯的磁場和輻射圈。 LUNA 3 59年10月4日發射。拍攝到首幅月背照片。 LUNA - 9 66年1月31日發射。首枚軟著陸探測器。 LUNA - 10 70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) 。 LUNA - 16 76年8月9日發射。系列中最後一次。 Proton K & Zond circumlunar spacecraft ZOND 系列 (準備載人登月) 12次中6次成功 ZOND 5 68年9月15日發射。首枚繞月飛船。

美國 無人探測器 Pioneer 系列 5次發射，4次成功 Pioneer 4 59年3月3日發射。59年3月4日離月球6萬公里外飛過。 是首枚美國脫離地球引力的美國飛行器。重5.9公斤。 Ranger 7 - 1st US probe photo 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。 Surveyor Lunar Orbiter

Apollo 系列 15次， 14次成功 (1967年11月9日– 1972年12月7日) Apollo 4 67年11月9日發射 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 4 67年11月9日發射 首次 Saturn V 試飛 (無人) Apollo 8 68年12月21日發射 首次載人繞月 Apollo 11 69年7月16日發射 首次載人登月 (7月20日) Apollo 17 72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 11 Saturn V Apollo 17 Mare basalt

休整期 (1976 – 1994) 90年1月24日 日本發射Muses-A探測器，有兩部份: 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)。

新一輪的熱潮 (1994開始) 美國 Clementine 94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。 可能有水 美國 Clementine 94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。 Lunar Prospector 1998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。 Lunar Prospector

歐盟 日本 中國 SMART-1 2003年9月27日發射 利用低能量軌道 2005年3月15日開始繞月(400-3000公里) Hall thruster 歐盟 SMART-1 2003年9月27日發射 solar-powered Hall effect thruster 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 SMART-1 orbit 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 拍攝3維圖像，研究元素分佈 共有8個科學儀器，已全部啟動 嫦娥1號 2007年10 月24日發射 科學儀器已全部啟動

印度 美國 俄羅斯 德國 將於2008年7月發射 Chandrayaan 1 將於2008年10月發射 Lunar Reconnaissance Orbiter 俄羅斯 將於2009年發射 Luna-Glob 德國 將於2012年發射 Lunar Exploration Orbiter

化石燃料的副作用 Side Effects of Fossil Fuel 可見度 ~ 25公里 可見度 ~ 1.5公里 可見度 ~ 25公里 可見度 ~ 1.5公里 24 hr average RSP 180 microgram/m3 FSP 65 microgram/m3 in USA Webcam from Tourist Association

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。

Nuclear binding energy – origin of nuclear energy

核聚變反應 I. 氚 燃料 II. 氦-3 燃料 氘 + 氚  中子 + 氦-4 17.6 MeV 百萬電子伏特 氕 質子 氕 (pit) 氦-3 + 氦-3  氕 + 氕 + 氦-4 12.9 MeV

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 their energy can be directly converted to electricity at high efficiency.

3He + 3He 核聚變反應爐的特色 不過，地球上氦3的存量少於1噸 ! 無溫室氣體與酸性氣體 高效能 (> 70%) 安全、無廢料，不破壞爐壁 氦三 不過，地球上氦3的存量少於1噸 !

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) An international tokamak (magnetic confinement fusion) research/engineering project that will help to make the transition from today's 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, France. It is technically ready to start construction and the first plasma operation is expected in 2016. On September 24, 2007, the People's Republic of China became the seventh party who had deposited the ITER Agreement to the IAEA.

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。 Apollo 17 astronaut digging 的儲存已被證實 Apollo 17 astronaut digging moon soil

月球樣本的氦含量 月海樣本 高地樣本 美國 前蘇聯 阿波羅11, 12, 14, 15, 16, 17號 Luna 16, 20 號 Remote sensing from Earth and from the Clementine orbits can be used to give an approximate distribution of titanium in lunar surface materials and thus a rough indication of helium distribution, although the maturity of the soils would need to be over-laid on this distribution to give a better approximation. 美國 阿波羅11, 12, 14, 15, 16, 17號 前蘇聯 Luna 16, 20 號 27

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 The correlation of helium-3 with the product of TiO2 content and maturity is very strong, at least for the samples returned so far. (Taylor, 1993) The abundance of 3He in the lunar regolith at a given location depends on surface maturity, the amount of solar wind fluence, and titanium content, because ilmenite (FeTiO3) retains helium much better than other major lunar minerals. These are the 2nd & 3rd factor affecting the He3 distribution. 28

太陽中心的核反應產生了 3He， 再由太陽風帶到月球。 The solar wind is the product of fusion reactions in the sun 29

Origin of Lunar He-3 Hydrogen and helium are the principal components of the solar wind. Because of the Moon's roughly spherical shape and its monthly passage through the magnetic tail of the Earth, the net flux of solar wind particles on the lunar surface varies significant with latitude and longitude. Nearside: Relative flux varies from less than 10% near the poles, to about 30% at 0 Lat and 0 Long, to over 80% near the 90W and 90E. Farside: over 90% between 30N and 30S, dropping off to less than 10% near the poles. 30

Solar wind and the magnetosphere The structure of the solar wind in the vicinity of the Earth and Moon is profoundly affected by the Earth's magnetic field. Figure: Structure of the Solar Wind in the vicinity of the Earth and Moon. As the moon orbiting around the earth, it enters in and out of the earth’s magnetosphere, which affects the deposition of solar wind particles on the lunar surface. This is the first factor determining the distribution of He3 on lunar surface.

Aurora on 6 January 1998 (Dick Hutchinson ©) Dick Hutchinson lives in Circle, Alaska, on the Yukon river north-east of Fairbanks, prime aurora territory. He enjoys photographing the aurora, and his collection of auroral images can give you a better feeling of "what the aurora looks like" than anything else I have seen on the web. 32

Distribution 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

Most recent theoretical estimate of lunar He-3 reserve Using 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 nearside and 2.78×108 kg on the lunar farside.

我国绕月探测工程首席科学家 欧阳自远 Ouyang Ziyuan 天体化学与地球化学家。原籍江西上饶，生于江西吉安。1956年毕业于北京地质学院。1961 年中国科学院地质研究所研究生毕业。中国科学院地球化学研究所研究员。负责我国地下核试验地质综合研究，系统开展各类地外物质(陨石、宇宙尘、月岩)、比 较行星学、天体化学与地球化学的研究。建立了铁陨石成因假说，吉林陨石的形成演化模式与多阶段宇宙线照射历史的理论；提出地球多阶段转变能的新的演化模 式，地质体中宇宙尘的判断标志；补充并发展了太阳星云化学不均一性模式与理论；论证中国K/T界面撞击事件，提出并证实新生代以来6次巨型撞击诱发地球气 候环境灾变的观点；论证组成地球原始物质的不均一性、地球两阶段形成与多阶段演化及对成矿与构造格局的制约，提出地球与类地行星的非均一组成与非均变演化 的理论框架。近年来，积极参与并指导了中国月球探测的短期目标与长远规划的制订，是中国月球探测计划的首席科学家。

Chang’E 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 main goals of the program would be the mining of helium-3 "Each year three space shuttle missions could bring enough fuel for all human beings across the world," said Ouyang - China Daily: 2006-07-26

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://www.astron.sh.cn/cgi-bin/topic.cgi?forum=20&topic=31&show=0

Chang‘E 1 spacecraft, China's first lunar probe satellite Launch date 2007-10-24 18:05:04.602 CST at Xichang Satellite Launch Center

Chang‘E 1 - Objectives Complete coverage of the Moon 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 depth, as well as the amount of helium-3 (³He) resources. Recording data on the primitive solar wind and studying the impact of solar activity on the Earth and the Moon.

Instruments on Chang’E-1: Stereo camera with an optical resolution of 120 m and spectrometer imager from 0.48 μm to 0.96 μm wavelength. Laser altimeter with 1064 nm, 150 μJ 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 thermal 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.

Instruments on Chang’E-1: All aims at He-3 Gamma and X-ray spectrometers – to detect heavy elements, e.g. Ti Microwave radiometer – to measure thickness of lunar regolith High energy particle detector and two solar wind detectors – solar wind measurements

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 FreePhoto.com

謝謝