中国科学家在月壤中发现量产水的方法

中青报·中青网记者 邱晨辉

月球上也能生产水？这不是科幻小说的情节，而是中国科学家通过研究嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，提出的一种全新方法。该方法基于高温氧化还原反应生产水，有望为未来月球科研站及空间站的建设提供重要设计依据。

北京时间8月22日，国际学术期刊《创新》（The Innovation）刊发了这一重要研究成果的论文。4名审稿人在评审意见中认为该工作发现的月壤制水新方法是“令人兴奋和鼓舞人心”的成果，具有重要意义。

通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图。中国科学院宁波材料技术与工程研究所供图

“水是建设月球科研站及未来开展月球星际旅行，保障人类生存的关键资源。”论文通讯作者之一、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员霍军涛说，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。

之前，科学家主要关注月球上自然态水资源的分布情况。美国阿波罗号、苏联月球号和中国嫦娥五号探月任务前期研究结果表明，在月球南极和北极以及常年阴影区可能存在自然态的冰。今年7月，来自中国科学院物理研究所的科研团队首次在嫦娥五号带回的月球样本中发现分子水，揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式，为未来月球资源的开发和利用提供了新的可能性。

“通过对嫦娥五号月壤研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄石和辉石等多种月壤矿物中含有少量水。但这些矿物中的含水量仅在0.0001%—0.02%之间，含量极其稀少，难以在月球原位提取利用。”霍军涛说，研究探测新的月球水资源及其开采策略，无疑是未来探月工程的重点内容。

从手套箱中取出嫦娥五号月壤样品（从左到右依次为：许巍副研究员、博士生陈霄、王军强研究员、霍军涛研究员、陈国新博士）。中国科学院宁波材料技术与工程研究所供图

经过3年的深入研究和反复验证，科研人员发现，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照，储存了大量氢。论文通讯作者之一、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员王军强告诉记者，在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原反应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。

据他介绍，经高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等多种实验技术分析，研究团队确认1克月壤中大约可以产生51-76毫克水（即5.1%—7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约51千克—76千克水，相当于100多瓶500毫升的瓶装水，基本可以满足50人一天的饮水量。

科研团队进一步研究了不同月球矿物中的含氢量区别。在5种月壤主要矿物——钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃中，钛铁矿含氢量最高，其次是斜长石和月壤玻璃，钛铁矿的含氢量大约是斜长石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。电子显微镜下的原位加热实验也证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸气气泡，而其他含铁月壤矿物加热后生成了少量铁单质和气泡，地球上的同种矿物加热后则不会生成单质铁和气泡。

“这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。”王军强说。

月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢？科研人员进一步研究了月壤钛铁矿的原子结构，他们发现，与地球上的钛铁矿相比，月壤钛铁矿原子间距由于氢的存在显著增大。计算模拟显示月壤钛铁矿中存在纳米微小孔道，这种纳米孔道可以吸附并储存大量来自太阳风的氢原子。每个钛铁矿分子可以吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。

科研人员使用透射电子显微镜观察月壤中“铁-水蒸气泡”伴生现象（前左博士生陈霄、前右陈国新博士、后左许巍副研究员、后中霍军涛研究员、后右王军强研究员）。中国科学院宁波材料技术与工程研究所供图

论文通讯作者之一、中国科学院物理研究所研究员白海洋告诉记者，实验还发现，电子辐照可以降低氢与铁氧化物的反应温度，水的生成温度可以从600℃降低至200℃。这个结果可以解释前人发现的氢元素在月球上分布随着纬度的变化规律：赤道位置由于受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得其中的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。

基于以上研究结果，科研团队提出一种具有可行性的月球水资源原位开采与利用策略：

——首先通过凹面镜或菲涅尔透镜聚焦太阳光加热月壤至熔融。加热过程中，月壤将会与太阳风中注入的氢反应生成水、单质铁和陶瓷玻璃。

——产生的水蒸气被冷凝成水，并被收集储存在水箱中，可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。

——通过电分解水可以产生氧气和氢气，氧气可以供人类呼吸，氢气可以作为能源使用。

——铁可以用于制造永磁和软磁材料，为电力电子器件提供原材料，也可以作为建筑材料。

——熔融的月壤也可以用来制作具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。

“该策略将为未来月球科研站以及空间站建设提供重要的设计依据，并有望在后续的嫦娥探月任务中发射验证性设备以完成进一步确认。”白海洋说。

该研究成果由中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队联合中国科学院物理研究所、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室、哈尔滨工业大学和南京大学等科研团队完成。宁波材料所霍军涛研究员、王军强研究员和物理所白海洋研究员为通讯作者，宁波材料所博士生陈霄和杨世玉、陈国新博士、许巍副研究员为论文的共同第一作者，宁波材料所为第一完成单位与第一通讯单位。

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