科學家從手套箱中取出嫦娥五號月壤樣品。從左到右依次為：許巍副研究員、博士生陳霄、王軍強研究員、霍軍濤研究員、陳國新博士

中國科學家提出一種新的在月球上獲取大量水的方法，有望為未來月球科研站及空間站的建設(shè)提供重要設(shè)計依據(jù)。

北京時間8月22日下午，相關(guān)論文在國際學術(shù)期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）上在線發(fā)表。其標題是題為《月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應產(chǎn)生大量水》（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）。

該研究由中國科學院寧波材料技術(shù)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(lián)合中國科學院物理研究所（以下簡稱“物理所”）、航天五院錢學森實驗室、松山湖材料實驗室、哈爾濱工業(yè)大學和南京大學等科研團隊完成。

前述論文通過研究嫦娥五號月壤不同礦物中的氫含量，提出一種全新的基于高溫氧化還原反應生產(chǎn)水的方法。

經(jīng)高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜等多種實驗技術(shù)分析，研究團隊確認，1克月壤中大約可以產(chǎn)生51-76毫克水（即5.1%-7.6%）。

以此計算，1噸月壤將可以產(chǎn)生約51-76千克水，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。

儲存在實驗瓶中的月壤。

水是建設(shè)月球科研站及未來開展月球星際旅行，保障人類生存的關(guān)鍵資源。

經(jīng)過3年的深入研究和反復驗證，科研人員發(fā)現(xiàn)，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(fā)生氧化還原反應，生成單質(zhì)鐵和大量水。

當加熱高至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。

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，是名副其實的月球“蓄水池”。

研究人員通過實驗還發(fā)現(xiàn)，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℃。

月壤加熱過程中水和單質(zhì)鐵的形成過程以及各種主要礦物的含水量對比。A. 加熱過程中月壤鐵元素的價態(tài)變化；B.月壤中主要礦物的氫含量對比，插圖為考慮礦物在月壤中含量的加權(quán)氫的總體含量；C.月壤鈦鐵礦加熱后的透射電鏡圖；D和E為月壤鈦鐵礦加熱過程中水氣泡和單質(zhì)鐵的放大圖，兩者具有伴生關(guān)系。

基于以上研究結(jié)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：（1）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(zhì)鐵和陶瓷玻璃。（2）產(chǎn)生的水蒸氣被冷凝成水，并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要。（3）通過電分解水可以產(chǎn)生氧氣和氫氣，氧氣可以供人類呼吸，氫氣可以作為能源使用。（4）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。（5）熔融的月壤也可以制作成具有榫卯結(jié)構(gòu)的磚塊，用于建造月球基地建筑。該策略將為未來月球科研站以及空間站建設(shè)提供重要的設(shè)計依據(jù)，并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務中發(fā)射驗證性設(shè)備以完成進一步確認。

示意圖：通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略。

寧波材料所霍軍濤研究員、王軍強研究員和物理所白海洋研究員為前述研究論文的通訊作者，寧波材料所博士生陳霄和楊世玉、陳國新博士、許巍副研究員為論文的共同第一作者，寧波材料所為第一完成單位與第一通訊單位。

論文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0