我国学者发现月壤生产大量水的新方法

　　

图 A-H，加热月壤钛铁矿过程中内源氢与铁氧化物反应，同步生成水蒸汽泡与单质铁；I，月壤熔化后由于生成大量铁单质，磁性显著增强；J，月壤熔化后，在负压作用下，气泡破裂，水蒸气释放出来，重量减轻；K，第一性原理计算表明，当每个钛铁矿分子中注入4个H原子时，晶格常数与真实月壤钛铁矿相同

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52222105、51922102、92163108、61888102、51827801）等资助下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员团队基于对嫦娥五号月壤的深入研究，提出一种变革性且可实用化的，在月球大量生产水的方法。研究成果以“月壤钛铁矿与内源性氢反应生产大量水（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）”为题，于2024年8月22日在《创新》（The Innovation）上在线发表。论文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0。

　　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。因此，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。科学家之前主要关注月球上自然态水资源的分布情况。美国阿波罗（Apollo）计划、苏联月球计划和我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。带回的月壤研究表明，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。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，宁波材料所王军强研究员带领团队与物理所、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合作，于2021年承担了首批嫦娥五号月壤研究任务。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反应，生成单质铁和大量水。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（见图），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%）。

　　该研究团队进一步研究了不同月球矿物中的氢含量区别。在五种月壤主要矿物（钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃）中，钛铁矿（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，当月壤熔化后，在负压状态下，气泡破裂，水蒸气被释放。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。

　　为了阐明月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢，高分辨电镜结果表明月壤钛铁矿相比地球上的同种矿物存在明显的晶格膨胀。结合第一性原理计算模拟，月壤钛铁矿由于其独特的晶体结构，在晶格（）方向存在亚纳米孔道，这种纳米孔道可以吸附并储存大量来自太阳风氢原子。当每个FeTiO₃分子可以吸附4个H原子时，模拟得到的晶格膨胀结果与实验数据相吻合。

　　实验还发现，原位电子辐照可以降低氢与铁氧化物的反应温度。在1.5-2 nA 和300 kV电子束的辐射下，水的生成温度可以从600 ^oC以上降低至200 ^oC。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，使得其中的氢更多地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，该研究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：（1）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。（2）收集产生的水蒸气并在水箱中储存液体水，可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。（3）通过太阳能或电能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，液氢液氧也可以用作飞船推进剂。（4）单质铁可以用于制造钢铁作为建筑材料等，或制成磁性功能器件材料。（5）熔融的月壤也可以用来制作陶瓷玻璃砖块，用于建造月球基地。

　　该研究不仅为月球水资源及其开采提供了可行策略，也对未来月球科研站以及基地的建设提供了重要的设计依据。