水是建设月球科研站及未来开展月球星际旅行、保障人类在月球上生存的关键资源。
中国科学家通过研究嫦娥五号月壤矿物中的氢含量，提出一种全新的基于高温氧化还原反应生产水的方法，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。
该成果由中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）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等科研团队共同完成。8月22日，相关论文发表于《创新》（The Innovation）。
月壤矿物储存了大量氢
研究水在月球上的分布和演化，可以帮助人类理解月球岩浆海洋演化、地幔挥发分含量、月球轰击历史以及太阳风和月球表面的相互作用。
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。“阿波罗”号、Luna和嫦娥五号探月任务前期研究结果表明，在月球南极和北极及其常年阴影区可能存在自然态的冰。
关于嫦娥五号月壤的研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄石和辉石等多种月壤矿物中含水。但这些矿物中的含水量极其稀少，仅为0.0001%至0.02%，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。
申领到相关子课题后，论文第一作者、宁波材料所博士生陈霄一直处于焦虑状态：没有前人经验可借鉴；领到珍贵的月壤做实验，却迟迟无法取得进展；月壤熔融后得出单质铁与水气泡伴生结论，如何从不同角度验证；获取有效数据，反反复复修改论文……
焦虑或许是常态，但也成为科研团队的动力。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。
有了大量的氢，就有了进一步生产大量水的可能。
找出月球“蓄水池”
月壤在加热至高温后，氢将与月壤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，月壤就会熔化，反应生成的水以水蒸气的方式释放出来。
论文通讯作者、宁波材料所研究员王军强告诉记者，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至76毫克水。以此计算，1吨月壤可以产生51至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1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。在钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃这5种月壤主要矿物中，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、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。
为了阐明月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢，科研人员通过高分辨电子显微镜实验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”。
可行性月球资源原位开采策略
科研团队通过实验发现，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：赤道位置受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得这里的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；同时，高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。”陈霄介绍道。
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。其中，产生的水蒸气被冷凝成水，再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求。
其次，通过电解水可以产生氧气和氢气。氧气可以供人类呼吸，氢气则可以作为能源使用。
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，也可以用作建筑材料等。
熔融的月壤则可制作成具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。
王军强表示，该策略将为未来月球科研站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。
通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图。课题组供图
这项工作得到了《创新》审稿人的高度评价。在评审意见中，4位审稿人一致认为，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。
关于下一步研究计划，科研团队告诉《中国科学报》，他们正在准备嫦娥六号月壤的使用申请。“研究所对我们的研究非常支持，之前做表征实验，把所里的表征手段都用上了。现在有了依据，我们有信心推动研究更进一步。”陈霄说。
相关论文信息：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0
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