科學家通過嫦娥五號月壤研究提出大量生產水的方法

　　8月22日，中國科學院寧波材料技術與工程研究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、松山湖材料實驗室和南京大學等的科研團隊，在《創新》（The Innovation）上發表了題為《月球鈦鐵礦與內源性氫反應產生大量水》（Producing substantial amount of water through reaction of lunar ilmenite and endogenous hydrogen）的研究論文。該研究通過探討嫦娥五號月壤不同礦物中的氫含量，提出了全新的基于高溫氧化還原反應生產水的方法。

　　水是建設月球科研站以及未來開展月球星際旅行的關鍵資源。研究水在月球上的分布和演化，可以幫助人類探究月球巖漿海洋演化、地幔揮發分含量、月球轟擊歷史以及太陽風和月球表面相互作用。因此，探尋水資源是月球探測的首要任務之一。此前，科學家聚焦于月球上自然態水資源的分布情況。Apollo、Luna和嫦娥五號探月任務前期研究結果表明，在月球南極和北極以及常年陰影區可能存在自然態的冰。對嫦娥五號月壤的研究表明，月壤玻璃、斜長石、橄欖樹和輝石等月壤礦物中含有少量水。而這些礦物中的含水量僅在0.0001%至0.02%之間即含量稀少，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，是未來探月工程的重點內容。

　　2021年，該合作團隊承擔了嫦娥五號月壤首批研究任務。經過3年的深入研究和反復驗證，該團隊發現了全新的在月球制備水的方法。研究顯示，月壤礦物由于太陽風億萬年的輻照，儲存了大量氫。在加熱至高溫后，氫將與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，月壤將會熔化，反應生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。

　　通過高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態、元素成分檢測等實驗技術分析，該團隊確認1克月壤中約可以產生51毫克至76毫克水即5.1%至7.6%。以此計算，1噸月壤將可以產生約51千克至76千克水，相當于100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人一天的飲水量。

　　進一步，該團隊研究了不同月球礦物中的含氫量區別。在五種月壤主要礦物即鈦鐵礦、斜長石、橄欖石、輝石、月壤玻璃中，鈦鐵礦（FeTiO3）含氫量最高，其次是斜長石和月壤玻璃，鈦鐵礦的含氫量約是斜長石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。電子顯微鏡下的原位加熱實驗證明，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。

　　為闡明月壤鈦鐵礦為何能夠儲存如此大量的氫，科研人員研究月壤鈦鐵礦的原子結構發現，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而顯著增大。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（FeTiO3）可以吸附4個氫原子，是月球的“蓄水池”。

　　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。也就是說，赤道位置由于受太陽風輻照最強，而太陽風中含有大量電子，使得其中的氫更多被還原成水蒸氣而揮發出來；高緯度受太陽風電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。

　　基于上述成果，該團隊提出了具有可行性的月球水資源原位開采與利用策略，即通過凹面鏡聚焦太陽光加熱月壤至熔融。這一策略將為未來月球科研站及空間站建設提供設計依據，可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。