中國科學報

水是建設月球科研站及未來開展月球星際旅行、保障人類在月球上生存的關鍵資源。

中國科學家通過研究嫦娥五號月壤礦物中的氫含量，提出一種全新的基于高溫氧化還原反應生產水的方法，有望為未來月球科研站及空間站的建設提供重要設計依據。

該成果由中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）非晶合金磁電功能特性研究團隊聯合中國科學院物理研究所、航天五院錢學森實驗室等科研團隊共同完成。8月22日，相關論文發表于《創新》（The Innovation）。

月壤礦物儲存了大量氫

研究水在月球上的分布和演化，可以幫助人類理解月球巖漿海洋演化、地幔揮發分含量、月球轟擊歷史以及太陽風和月球表面的相互作用。

探尋水資源是月球探測的首要任務之一。科學家之前主要關注月球上自然態水資源的分布情況。“阿波羅”號、Luna和嫦娥五號探月任務前期研究結果表明，在月球南極和北極及其常年陰影區可能存在自然態的冰。

關于嫦娥五號月壤的研究表明，月壤玻璃、斜長石、橄欖石和輝石等多種月壤礦物中含水。但這些礦物中的含水量極其稀少，僅為0.0001%至0.02%，難以在月球原位提取利用。

因此，研究探測新的月球水資源及其開采策略，無疑是未來探月工程的重點內容。

申領到相關子課題后，論文第一作者、寧波材料所博士生陳霄一直處于焦慮狀態：沒有前人經驗可借鑒；領到珍貴的月壤做實驗，卻遲遲無法取得進展；月壤熔融后得出單質鐵與水氣泡伴生結論，如何從不同角度驗證；獲取有效數據，反反復復修改論文……

焦慮或許是常態，但也成為科研團隊的動力。經過3年的深入研究和反復驗證，科研人員發現，月壤礦物由于太陽風億萬年的輻照，儲存了大量氫。

有了大量的氫，就有了進一步生產大量水的可能。

找出月球“蓄水池”

月壤在加熱至高溫后，氫將與月壤礦物中的鐵氧化物發生氧化還原反應，生成單質鐵和大量水。當溫度升高至1000℃以上時，月壤就會熔化，反應生成的水以水蒸氣的方式釋放出來。

論文通訊作者、寧波材料所研究員王軍強告訴記者，經高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態、元素成分檢測等多種實驗技術分析，研究團隊確認1克月壤中大約可以產生51至76毫克水。以此計算，1噸月壤可以產生51至76千克水，相當于100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人1天的飲水量。

科研團隊進一步研究了不同月球礦物中的含氫量。在鈦鐵礦、斜長石、橄欖石、輝石、月壤玻璃這5種月壤主要礦物中，鈦鐵礦含氫量最高，其次是斜長石和月壤玻璃。鈦鐵礦的含氫量大約是斜長石的3.5倍、月壤玻璃的10倍。

電子顯微鏡下的原位加熱實驗也證明，月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質鐵和水蒸氣氣泡，而其他含鐵月壤礦物加熱后生成了少量鐵單質和氣泡，地球上的同種礦物加熱后則不會生成單質鐵和氣泡。這進一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產生水的關鍵。

為了闡明月壤鈦鐵礦為什么能夠儲存如此大量的氫，科研人員通過高分辨電子顯微鏡實驗詳細研究了月壤鈦鐵礦的原子結構。他們發現，與地球上的鈦鐵礦相比，月壤鈦鐵礦原子間距由于氫的存在顯著增大。計算模擬顯示，月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，這種納米孔道可以吸附并儲存大量來自太陽風的氫原子。

每個鈦鐵礦分子可以吸附4個氫原子，是名副其實的月球“蓄水池”。

可行性月球資源原位開采策略

科研團隊通過實驗發現，電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應溫度，水的生成溫度可以從600℃降低至200℃。

“這個結果可以解釋前人發現的氫元素在月球上分布隨著緯度的變化規律：赤道位置受太陽風輻照最強，而太陽風中含有大量電子，使得這里的氫更多被還原成水蒸氣而揮發出來；同時，高緯度受太陽風電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。”陳霄介紹道。

基于以上研究結果，科研團隊提出一種具有可行性的月球水資源原位開采與利用策略。

首先，通過凹面鏡或菲涅爾透鏡聚焦太陽光加熱月壤至熔融。加熱過程中，月壤將會與太陽風中注入的氫反應生成水、單質鐵和陶瓷玻璃。其中，產生的水蒸氣被冷凝成水，再被收集儲存在水箱中，可以滿足月球上人類與各種動植物的飲水需求。

其次，通過電解水可以產生氧氣和氫氣。氧氣可以供人類呼吸，氫氣則可以作為能源使用。

此外，鐵可以用于制造永磁和軟磁材料，為電力電子器件提供原材料，也可以用作建筑材料等。

熔融的月壤則可制作成具有榫卯結構的磚塊，用于建造月球基地建筑。

王軍強表示，該策略將為未來月球科研站及空間站建設提供重要的設計依據，并有望在后續的嫦娥探月任務中發射驗證性設備以完成進一步確認。

通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖。課題組供圖

這項工作得到了《創新》審稿人的高度評價。在評審意見中，4位審稿人一致認為，該工作發現的月壤制水新方法是“令人興奮和鼓舞人心”的成果，具有重要意義。

關于下一步研究計劃，科研團隊告訴《中國科學報》，他們正在準備嫦娥六號月壤的使用申請。“研究所對我們的研究非常支持，之前做表征實驗，把所里的表征手段都用上了。現在有了依據，我們有信心推動研究更進一步。”陳霄說。

相關論文信息：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0