中国宁波网记者 成良田 通讯员 高晓静 实习生 许景博
想象一个场景——
距地球38万千米，月球的吕姆克山脉上，一个月球科研站附近，一块巨大的凹面镜正聚焦太阳光，不断加热月壤至熔融，月壤与太阳风中注入的氢反应生成水，收集水蒸气并在水箱中储存液体水，供人类和各种动植物使用，同时通过电分解水，产生人类呼吸需要的氧气，铁用来制造永磁和软磁材料，熔融的月壤用来制作砖块……
这不是科幻电影，更非异想天开，而是中国科学院宁波材料所等科研团队基于3年的深入研究和反复验证，提出的月球水资源原位开采与利用策略。
今天中午，中国科学院宁波材料所正式发布这一重磅研究成果。
研究人员表示，通过研究嫦娥五号带回的月壤氢含量，提出一种基于高温氧化还原反应生产水的方法，该成果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。
“令人兴奋和鼓舞人心。”国际学术杂志《创新》审稿人高度肯定月壤制水新方法，称赞其“具有重要意义”。
中国科学院宁波材料所研究员王军强（右一）和团队成员。
新方法
1吨月壤可制备出100多瓶瓶装水
水是生命之源，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。因此，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。美国的Apollo、前苏联的Luna和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。近年来，通过对嫦娥五号月壤研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄树和辉石等多种月壤矿物中含有少量水。
不过，无论是“自然态存在的水或冰”亦或是“矿物中的结晶水”，这两种水的含量极其稀少，一般只占月壤重量的百万分之几，难以在月球原位提取利用。
因此，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。
为此，中国科学院宁波材料所研究员王军强带领团队与中国科学院物理所、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室以及南京大学合作，于2021年承担了嫦娥五号月壤首批研究任务。
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。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原发应，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。
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51-76千克水，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。
新发现
月壤矿物固溶的氢是产生水的关键
“1克月壤中大约产生51-76毫克水，这是针对全部月壤的，是一个平均值。”中国科学院宁波材料所研究员王军强解释。
实际上，不同月球矿物中，其含氢量并不相同，产水量也不同。
月壤加热过程中水和单质铁的形成过程以及各种主要矿物的含水量对比。
研究发现，在钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃这五种月壤主要矿物中，钛铁矿（FeTiO3）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汽气泡，而其他含铁月壤矿物加热后生成了少量铁单质和气泡。
“如果筛选出钛铁矿制水，那产水量会更高。”王军强说。不过，他也表示，目前还没有发现好的方法，以筛选不同矿物。
此外，同样的实验发现，对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。”王军强解释。
月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢？
科研人员详细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氢原子。
“每个钛铁矿分子（FeTiO3）可以吸附4个氢原子，是名符其实的月球‘蓄水池’。”王军强说。
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，刚好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。
新策略
一种“可行的”月球水资源开采方案
月壤制水新方法，对月球水资源利用有何帮助？
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。
通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图。
随后，产生的水蒸气冷凝并被收集在水箱中，这可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。
接着，通过电分解水可以产生人类呼吸需要的氧气，以及可以作为能源使用的氢气。
此外，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。
而熔融的月壤则大有用处，可以用它来制作具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。
科研团队认为，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。
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