合肥科学岛牵手港澳高校共建联合实验室

合肥科学岛牵手港澳高校共建联合实验室

启动研制天问三号载荷“激光外差光谱仪”

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院（以下简称“合肥物质院”）、澳门科技大学与香港中文大学在合肥科学岛共同签署协议，三方合作共建“深空物质成分光谱探测联合实验室”并同步启动天问三号载荷“激光外差光谱仪”的联合研制任务。

　　这种强强联合、优势互补的合作模式，既与面向世界科技前沿、面向国家重大需求的战略导向高度契合，又是长三角与粤港澳大湾区科技资源深度融合、携手服务国家战略的深度实践。

　　服务于火星取样返回的主任务

　　火星是太阳系八大行星之一，距离地球最远时有4亿公里，最近时大约5500万公里。

　　这颗离地球并不近的行星，为什么吸引人类探索？

　　太阳系内火星环境和地球最相近，火星上是否存在或曾经存在过生命是国际重大科学热点问题。其他的科学主题还包括火星气候及其演变、火星地质及内部过程。

　　20世纪60年代，人类开始火星探索。迄今为止全世界开展了40余次火星探测任务，实现了对火星的飞掠、环绕、着陆和巡视探测。

　　目前，火星是否曾存在生命仍是未解之谜，实现火星样品返回并在实验室开展高精度分析成为破解谜题的关键。

　　2021年，天问一号成功“落火”，这是中国首次实现地外行星着陆，成为全球第二个成功着陆火星的国家。

　　天问三号作为我国第二次火星探测任务，把确立生命痕迹探寻作为第一科学目标，计划2028年前后发射，将突破火面采样、火面起飞上升、环火交会和行星保护等关键技术，实现火星样品返回地球。

　　“激光外差光谱仪”项目是天问三号其中一个载荷任务。“项目将进行火星大气水汽及其同位素高精度、宽覆盖探测，以及火星全球大气风场的三维立体探测。”香港中文大学工程学院助理院长、机械与自动化工程学系教授任伟表示，它的科学意义在于能够揭示火星水的逃逸机制与演化的历史，揭示火星大气风场的特征以及演变的机理。同时它具有非常重要的工程意义，将服务于火星取样返回的主任务。

　　揭示行星气候演化的奥秘

　　“激光外差光谱仪可以进行痕量气体探测。痕量气体是指在大气或其他气体混合物中浓度极低的气体组分，通常其体积分数在PPM级（10的负6次方）或者PPB级（10的负9次方），比如甲烷等，这种微量气体探测难度很大。”中国科学院合肥物质科学研究院副研究员、天问三号“激光外差光谱仪载荷”项目主任设计师曹乃亮说。

　　如何解决技术难题，完成载荷任务？

　　为了实现“激光外差光谱仪”的载荷目标，项目团队研制的主要仪器具有超高的光谱分辨率、超高的测风精度，在平均功耗、总重量、使用寿命方面也都有重要的技术指标。

　　“这项载荷任务基于激光外差探测的原理，采用本振激光跟太阳光的合束，在光电探测器上混合产生拍频信号，获得其中非常重要的光谱信号。这也是国际上首次将该技术应用于深空探测。在水汽同位素探测上，通过扫描本振激光的波长，能够高分辨地获取水汽同位素吸收光谱的信息，同时，结合射频放大滤波，实现同位素高分辨的测量。”任伟说。

　　深空探测对载荷重量的约束很强，只能搭载一些小型化的仪器。曹乃亮介绍，对于深空探测载荷重量限制，团队基于合肥物质院安光所在地球痕量气体探测已有的成果，此次研制突破了激光与太阳光相干探测效率及微弱信号探测技术。这两个难点的突破，让仪器更加轻量化。

　　行星的“宜居带”理论认为，一颗行星是否宜居，主要取决于其表面温度是否适合液态水长期存在。

　　“火星作为与地球最为相似的类地行星，曾经也拥有浓厚的大气和广阔的海洋，如今却变成了干燥荒凉的荒漠星球，其水和大气的逃逸过程，是解开行星气候演化奥秘的关键钥匙。”曹乃亮告诉记者，这项载荷任务可以帮助我们判断火星是否宜居，揭示它怎么从一个宜居环境变成现在这样恶劣的环境。让我们更好地保护地球。

　　服务国家战略的深度实践

　　天问三号载荷“激光外差光谱仪”联合研制项目，可以说是深空物质成分光谱探测联合实验室推动科研协同的重要实践。项目由香港中文大学牵头，负责项目管理；澳门科技大学负责科学总体，主要开展火星大气仿真分析、水及其同位素的分馏特性研究等；合肥物质院承担工程总体，负责载荷的工程化研制。

　　联合实验室源于2022年合肥物质院与澳门科技大学共建的实验室。几年来，实验室已在联合科研与人才培养方面取得一系列成果，包括共同参与嫦娥七号载荷研制、成功申报科技部重点研发计划战略性科技创新合作项目，并在学术论文、专利产出及国际交流方面积累了扎实基础。

　　“此次合作标志着实验室正式升级为合肥物质院与港澳高校三方共建的平台。”中国科学院合肥物质科学研究院副院长阚瑞峰表示，未来，联合实验室将聚焦深空探测中的关键科学问题，重点发展高灵敏度、高分辨率光谱探测技术，开展火星、月球等天体物质成分的原位与遥感探测研究，联合培养具备全球视野的行星科学与空间技术复合型人才，力争打造成为具有国际影响力的深空探测联合创新平台。

　　深空探测作为衡量国家科技实力的重要标志，是抢占科技制高点，实现高水平科技自立自强的战略必争之地。省科技厅相关负责人表示，合肥物质院、香港中文大学与澳门科技大学三方携手，不仅为安徽带来了先进的科研理念和国际化视野，更构建起跨区域、跨学科、跨领域的协同创新共同体。

　　星河浩渺，探索无垠。站在新的起点，长三角与粤港澳大湾区的科技力量，将为深空探测注入新动能，让更多“中国智慧”飞向星辰大海。那些藏在行星尘埃里的宇宙密码、关乎人类未来的宜居答案，终将被解锁。