月球自转轨道几乎垂直于黄道面，这使得月球两极某些比较深的撞击坑内常年无法照射到阳光，形成了冷阱区域（年平均温度<110K），即永久阴影区（PSRs）。一系列遥感探测已经发现PSRs稳定存在水冰以及挥发分，个别区域水冰含量可能高达30wt.%（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资源，能够供给宇航员的生命活动，电解产生的氢气也可用于火箭燃料。因此，国际上已经规划大量针对月球极区水冰以及挥发分探测的任务，例如美国的“阿尔忒弥斯”计划、中国的嫦娥七号、嫦娥八号，俄罗斯-欧盟的月亮27号等，他们的目的是提取水和挥发分进行质谱和光谱的分析以确定其含量以及来源等。PSRs环境下，水冰颗粒被认为可能与月壤颗粒混合形成“脏冰”，水冰受热会很容易发生升华，但月壤极低的热导率（比水冰低3个数量级）对热提取过程产生了极大的挑战。而如果水冰不能完全提取，示踪其来源的氢同位素会发生至少50‰的分馏（Mortimer et al., 2018），这对于数据解译造成了很大的阻碍。
地外探测任务中根据载荷的配置，设计样品中挥发分的原位分析流程为“采样封装-加热-转移-测量”。其中加热环节则采用了加热炉这一组件（图1），它起到盛放样品并直接电加热提取水和挥发分的作用。但是，如何提高挥发分提取效率并从加热过程中获得更重要的科学信息？如何更好的解译未来探测任务中的可能获得的科学数据？这一系列问题都对加热炉的设计提出了要求。
图1 地外探测任务中经典的加热炉实物图（探测彗星67P的罗塞塔号菲莱着陆器）
为此，中国科学院地质与地球物理研究所比较行星学课题组博士生阮仁浩和导师杨蔚研究员，与郝佳龙高级工程师、郭光军研究员合作，建立了加热炉和样品之间提取水和挥发分的传热传质数值仿真有限元模型（图2），发现影响加热炉设计的3个主要因素：月壤中水冰含量、加热炉直径以及功率，随后考虑加热炉应用于样品质量在毫克至吨级别的“探测-提取-原位资源利用”的不同实际场景，例如嫦娥七号飞跃探测极区、月亮27号提取惰性气体以及大量开采水冰资源等对工况的约束，指示水冰的提取可以在短时间内全部完成；但惰性气体无法被完全提取，可能需要考虑新的加热方式，例如微波加热；如果在米级别尺寸的加热炉中设计有内部结构，例如蜂窝，可以显著提高加热速率至少1.5倍。
图2 探测-提取-原位资源利用场景中加热炉的有限元模型
进一步的，他们发现加热炉采集的温度数据，尤其是中心点的升温曲线，可以直接反演月壤的水冰含量。原因在于，含水冰月壤由月壤颗粒和水冰颗粒混合组成，其升温曲线受控于混合组分的热导率，而热导率又受控于水冰含量，因此通过对不同升温曲线的分析可以反演水冰含量（图3A-图3D），并且极限载荷功率下，例如1W，仍然能够实现分析需求（图3E、图3F）。这种方法相比于后续测量环节中质谱和光谱分析无需考虑样品称重、样品转移过程中的吸附、损耗及泄漏等因素，是一种新的测量月壤水冰含量的方法。
图3 通过加热炉中心点升温曲线判断月壤中水冰含量的新方法
该项研究为月壤中原位提取水和挥发分的加热炉设计提供了重要的参考意义，指出影响加热炉设计的三个重要因素：月壤水冰含量、加热炉直径及其功率，根据样品升温曲线提出加热炉可以作为月壤水冰含量测量的科学载荷。
研究成果发表于Earth and Space Science（阮仁浩,杨蔚*,郝佳龙,郭光军. Oven design for in-situ thermalextraction of volatiles from lunar regolith [J]. Earth and Space Science, 2024, 11: e2024EA003556. DOI: 10.1029/2024EA003556.）
编辑：万鹏