在小行星上找水,未来能源愈行愈近
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对人类而言,小行星有着一种神秘的魅力。 近日,中科院紫金山天文台研究员季江徽课题组与其合作者,就发现R型主带小行星Dembowska可能存在水冰。存在水冰可能,这意味着什么?如何才能推断小行星是否存在水冰? 解开地球之谜的重要钥匙 迄今为止,人类发射的行星探测器,为人们描绘出一张太阳系的水分布图。 木星的卫星木卫二是一个冰冷的世界,天文学家认为它表面覆盖着水冰,地表下可能存在液态海洋。土星的卫星土卫二表面存在间歇泉,有大量水蒸气从冰火山里面喷出。 “火星探测器‘凤凰’号发现,火星地下有冰。尽管这些水并不能满足我们的生活需要,却揭示了行星以及卫星的演化历史,并时刻提醒我们在地球之外存在生命的可能性。”季江徽对科技日报记者说。 季江徽进一步解释,水是非常珍贵的资源。假如小行星上有水,那么就意味着未来可以获取这些太空资源,进而在探索太阳系的过程中加以利用。 同时,人们对地球上水的起源问题也有颇多疑问。科学家曾经认为,地球上的一部分水来自于太阳系外的彗星。但是今天,这一观点已受到质疑。对小行星水冰的研究或许是解开这个疑问的途径之一。 近几年,美国国家航空航天局在火星探测领域取得了令人瞩目的成就,火星大出风头,尤其是在获得与水有关的探测进展时。这给人一种感觉,似乎在太阳系乃至整个宇宙,水都是非常罕见的东西。 “事实上,在整个太阳系,水是常见的物质,尤其在太阳系外围的天体中,水大面积存在着。而太阳系里的天体中,除了土星和木星的卫星以外,还有很多的水分布在小行星上。”季江徽说,小行星带天体、木星的几个卫星、土星环及土星的卫星甚至更遥远的柯伊伯带天体等都拥有大量的水冰,如果将这些水平均分配到围绕太阳公转的天体上,那整个太阳系的含水量并不低。 表面物理特征也是有效线索 科学家可以通过天文观测或空间探测发现小行星存在水冰的直接证据。除此之外,还有哪些方法可以探测水冰? “还可以通过研究小行星表面的基本物理特征来了解。”季江徽说。 比如Dembowska小行星,它是一颗R型主带小行星,直径约为156千米。 “它很亮,自转周期为4.7小时,自转轴与轨道面的夹角很小;它的近红外反射光谱与灶神星的光谱十分相似,所以可能发生过熔融分异的历史;它的轨道靠近太阳系‘雪线’,水在那里开始凝固,因而可能存在水冰。”季江徽说。 但是,至今为止,人们对于这颗小行星的基本物理信息仍不是很确定。因此该小行星备受国际上天文研究机构的关注。 紫金山天文台行星科学团队建立了小行星热物理模型,从小行星热物理特征分析其含水情况。 在前期工作中,季江徽课题组研究了近地小行星Bennu。美国小行星采样返回探测任务OSIRIS-REx将在2018年造访该小行星,并在2023年采集小行星样本返回地球。季江徽的工作表明,这颗小行星表面可能大部分区域被土壤所覆盖。这一结果很大程度上支持了OSIRIS-REx任务采样机制的可行性。 在对小行星Dembowska的研究中,季江徽课题组基于国际空间红外卫星的探测数据及地基Subaru望远镜的实测热红外数据,获得Dembowska表面热惯量、粗糙度、反照率等基本热物理信息,模拟了Dembowska在任意轨道时刻的表面及次表面温度环境。 研究人员发现,Dembowska表面南北两极温度变化较大,并呈现明显的季节变化。赤道温度变化较小,且有较长时间温度较高,表面不太可能保存水冰。而在Dembowska南北次表层30至50厘米以下,温度可保持在较低水平,水冰可以稳定地存在。 在未来的研究工作中,季江徽课题组还将继续揭示其它小行星蕴含水冰的可能。

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俗话说水火不相容。但是有这样一种冰,不仅可以燃烧,其热值还比石油多10倍,燃烧后很清洁,只生成二氧化碳和水,储量据称可供人类使用千年。这就是可燃冰,学名叫做“天然气水合物”,也被人称作“固体甲烷”,是甲烷为主的有机分子被水分子包裹而成,既含水又呈固体,看起来像冰,很容易被点燃 近日,国务院批准天然气水合物为我国第173个矿种。今年5月,我国首次海域天然气水合物试采成功,并实现连续试气点火60天,累计产气30.9万立方米,平均日产5151立方米,甲烷含量最高达99.5%,实现了历史性突破。 神奇的冰块 可燃冰的能量密度非常高,同等条件下燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍;并且,燃烧后仅会产生少量二氧化碳和水,是真正的绿色能源 和石油天然气一样,可燃冰也是来源于古生物遗骸。这些古生物遗骸的沉积物通过细菌分解后产生甲烷,在低温和高压的环境下形成可燃冰。 可燃冰生成的温度一般在0℃至10℃之间,超过20℃就可能分解。通常情况下,海底温度一般保持在2℃至4℃之间,适宜可燃冰生成。另外,可燃冰在0℃时,只需要30个大气压就可以生成,而在海底深处,很容易保持30个大气压。并且,气压越大,可燃冰越不容易分解。 因此,可燃冰广泛分布于深海或陆域的永久冻土中。目前,南极、北极均已发现可燃冰矿点,中国虽不属于极地国家,但此前,我国已分别在南海海域和青藏高原冻土区钻获天然气水合物实物样品,使得我国成为世界上在中低纬度地区唯一拥有海底和陆上冻土区天然气水合物资源的国家。 1778年,英国化学家普得斯特开始研究形成可燃冰的温度和压强。1934年,人们在油气管道和加工设备中发现冰状固体堵塞现象,这些固体其实就是可燃冰。1965年,前苏联科学家预言,可燃冰可能存在海洋底部的地表层中,此后终于在北极的海底首次发现了大量可燃冰。 可燃冰的能量密度非常高。同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍。1立方米的可燃冰分解后可释放出164立方米的天然气。 由于可燃冰是天然气和水的化合物,燃烧后仅会产生少量的二氧化碳和水,是真正的绿色能源。有专家估计,其资源量相当于全球已探明传统化石燃料总量的两倍。我国可燃冰资源储存量则相当于1000亿吨石油,其中南海海域是我国可燃冰的主要分布区,有近800亿吨储量。因此,可以毫不夸张地说,可燃冰是一种具有重大战略意义的未来能源。 大国角逐可燃冰 可燃冰低碳环保又储量丰富,一跃成为现代社会解决能源匮乏的有效途径,引发多国对其青睐有加,投入巨资展开研究 追溯人类能源利用的历程,会更有助于我们了解可燃冰的价值。 人类曾在漫长历史进程中,通过木柴等生物质能源获取能量。直到工业文明后,煤炭的利用使蒸汽机得以大面积推广。再后来,石油天然气推动人类的行动能力得以大幅提升。 但是,需正视的现实是,石油资源的渐趋匮乏是现代社会必须面临的重大挑战之一。 在这样的背景下,低碳环保又储量丰富的可燃冰自然吸引了人们的关注。因此,不少大国对其青睐有加,纷纷投巨资开展这一领域研究。 今年5月,美国能源部下属的国家能源技术实验室宣布,正与得克萨斯大学奥斯汀分校等机构合作,在墨西哥湾深水区开展可燃冰开采研究。 一直以来,美国都十分重视可燃冰研究,2000年曾通过《天然气水合物研究与开发法案》。此后,美国能源部多次拨款支持可燃冰研究,最近一次是在2016年9月,宣布投入380万美元支持6个新的可燃冰研究项目。开展本次钻探的得克萨斯大学奥斯汀分校就是受支持的项目方之一。 日本经济产业省资源能源厅今年5月也宣布,日本石油天然气金属矿物资源机构成功从日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。该次试验开采海域位于爱知县和三重县附近的太平洋近海,估计该海域拥有的可燃冰储量达1.1万亿立方米,是日本天然气年消费量的约10倍。 这是日本第二次开采可燃冰。2013年,日本尝试过开采海底可燃冰并提取了甲烷,但由于海底砂流入开采井,试验仅6天就被迫中断。第二次试验持续12天后也因出砂问题中断,未能完成原计划连续三四周稳定生产的目标,12天产气量只有3.5万立方米。 中国地质调查局于1999年开始天然气水合物调查,在南海西沙海槽首次发现了天然气水合物存在的地球物理标志;2007年,在南海神狐海域首次钻获天然气水合物实物样品;2013年,在南海北部获得了多类型的天然气水合物样品;2015年和2016年在南海神狐海域再次获得发现。目前,我国已在南海发现两个超千亿立方米的矿藏,圈定11个成矿远景区、25个有利区块。同时,今年5月我国也成功实施了海域天然气水合物首次试采,创造了产气时长和总量的世界纪录。 产业化面临诸多难题 可燃冰虽然储量大、分布广,但现有海底钻井设备很难进行开采,稍有不慎就会导致开采失败 但是,可燃冰开采难度之大也是业界公认。可燃冰靠低温高压封存,如果温度升高,水合物中的甲烷可能溢出;或者如果冰块消融,导致压力回升,一旦控制不当,可能造成海底滑坡等地质灾害。 例如曾有地质学家将8000年前的一场毁灭性崩塌归因于天然气水合物。当时,挪威海岸外出现了高达6米的海浪。研究人员推测,甲烷气体在海底的爆炸性释放引发了这场自然灾难。 有专家表示,可燃冰虽然储量大、分布广,但形成年代要比石油、天然气晚得多,覆盖它的海底地层普遍是砂质,现有的海底钻井设备开采很难,稍有不慎就会导致大量砂石涌进管道,造成开采失败。而且,更值得关注的是环境问题,如开采不当,水合物中的甲烷一旦溢出,可能造成巨大污染。 中国地质调查局基础地质调查部副主任邱海峻表示,我国此次南海天然气水合物试采实现了多项创新,创新研发了“地层流体抽取法”试采技术,创建了天然气水合物系统成藏和天然气水合物“三相控制”开采理论,建立以稳定地层为核心的试采理论技术体系,自主研发了钻完井、储层改造、人工举升等试采关键技术,成功解决了试采的砂层流动、天然气水合物二次生成、井下气水分离和长期稳定生产等世界性难题,实现了六大技术体系20项关键技术自主创新,初步建立了适合我国海域天然气水合物资源特点的开发技术体系。 邱海峻表示,经测算,我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量。通过重点地区普查,已经圈定11个有利远景区,19个成矿区带,并经过钻探验证圈定了两个千亿立方米级矿藏。 不过,有关专家表示,此次我国在全球范围内实现首次试开采,仅是万里长征迈出关键性一步,未来要实现产业化和商业化开采,仍有长路要走。 中国地质调查局副局长王昆表示,今后将围绕加快推进产业化进程的目标,争取神狐海域试采成果最大化;同时,继续加大天然气水合物资源调查力度,开展重点目标区的详查,提供2至4个大型资源基地,为推进产业化奠定资源基础;此外,将开展不同类型天然气水合物试采,把加强环境保护放在突出位置。 “基于中国可燃冰调查研究和技术储备的现状,预计我国在2030年左右有望实现可燃冰的商业化开采。”王昆表示。

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