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提供重要設計依據。

北京時間8月22日下午，相關論文在國際學術期刊《創新》（The Innovation）上在線發表。其標題是題為《月球鈦鐵礦與內源性氫反應產生大量水》（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水的方法。

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

以此計算，1噸月壤將可以產生約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。

水是建設月球科研站及未來開展月球星際旅行，保障人類生存的關鍵資源。

經過3年的深入研究和反復驗證，科研人員發現，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℃。

月壤加熱過程中水和單質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鐵的放大圖，兩者具有伴生關系。

基于以上研究結果，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、單質鐵和陶瓷玻璃。（2）產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構的磚塊，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提供重要的設計依據，并有望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。

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