1噸月壤可產(chǎn)超50千克水 中國(guó)科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)水的方法

北京時(shí)間8月22日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）刊發(fā)了這一重要研究成果的論文。4名審稿人在評(píng)審意見中認(rèn)為該工作發(fā)現(xiàn)的月壤制水新方法是“令人興奮和鼓舞人心”的成果，具有重要意義。

“水是建設(shè)月球科研站及未來(lái)開展月球星際旅行，保障人類生存的關(guān)鍵資源?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員霍軍濤說(shuō)，探尋水資源是月球探測(cè)的首要任務(wù)之一。

此前，科學(xué)家主要關(guān)注月球上自然態(tài)水資源的分布情況。美國(guó)阿波羅號(hào)、蘇聯(lián)月球號(hào)和中國(guó)嫦娥五號(hào)探月任務(wù)前期研究結(jié)果表明，在月球南極和北極以及常年陰影區(qū)可能存在自然態(tài)的冰。今年7月，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)首次在嫦娥五號(hào)帶回的月球樣本中發(fā)現(xiàn)分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)存在形式，為未來(lái)月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。

“對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的研究表明，月壤玻璃、斜長(zhǎng)石、橄欖石和輝石等多種月壤礦物中含有少量水。但這些礦物中的含水量?jī)H在0.0001%-0.02%之間，含量極其稀少，難以在月球原位提取利用?！被糗姖f(shuō)，研究探測(cè)新的月球水資源及其開采策略，無(wú)疑是未來(lái)探月工程的重點(diǎn)內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)3年的深入研究和反復(fù)驗(yàn)證，科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽(yáng)風(fēng)億萬(wàn)年的輻照，儲(chǔ)存了大量的氫。該論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員王軍強(qiáng)告訴記者，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(yīng)，生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1000攝氏度以上時(shí)，月壤將會(huì)熔化，反應(yīng)生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來(lái)。他介紹，經(jīng)多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)1克月壤中大約可產(chǎn)生51毫克-76毫克水。以此計(jì)算，1噸月壤將可產(chǎn)生約51千克-76千克水，相當(dāng)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。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在5種月壤主要礦物——鈦鐵礦、斜長(zhǎng)石、橄欖石、輝石、月壤玻璃中，鈦鐵礦含氫量最高。電子顯微鏡下的原位加熱實(shí)驗(yàn)也證明，月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質(zhì)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(zhì)和氣泡，地球上的同種礦物加熱后則不會(huì)生成單質(zhì)鐵和氣泡?！斑@進(jìn)一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵?！蓖踯姀?qiáng)說(shuō)。

月壤鈦鐵礦為什么能儲(chǔ)存如此大量的氫？科研人員進(jìn)一步研究了月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，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顯著增大。計(jì)算模擬顯示月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，這種納米孔道可吸附并儲(chǔ)存大量來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的氫原子。每個(gè)鈦鐵礦分子可吸附4個(gè)氫原子，是名副其實(shí)的月球“蓄水池”。

該論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員白海洋告訴記者，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，電子輻照可降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度，水的生成溫度可從600攝氏度降低至200攝氏度。此結(jié)果可解釋前人發(fā)現(xiàn)的氫元素在月球上分布隨緯度變化的規(guī)律：赤道位置由于受太陽(yáng)風(fēng)輻照最強(qiáng)，而太陽(yáng)風(fēng)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(fā)出來(lái)；高緯度受太陽(yáng)風(fēng)電子輻照影響較小，可保留更多的氫。

基于以上研究結(jié)果，科研團(tuán)隊(duì)提出一種具有可行性的月球水資源原位開采與利用策略：

——首先通過(guò)凹面鏡或菲涅爾透鏡聚焦太陽(yáng)光加熱月壤至熔融。加熱過(guò)程中，月壤將會(huì)與太陽(yáng)風(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。

——產(chǎn)生的水蒸氣被冷凝成水，并被收集儲(chǔ)存在水箱中，可滿足月球上人類與各種動(dòng)植物的飲水需要。

——通過(guò)電分解水可產(chǎn)生氧氣和氫氣，氧氣可供人類呼吸，氫氣可作為能源使用。

——鐵可用于制造永磁和軟磁材料，為電力電子器件提供原材料，也可作為建筑材料。

——熔融的月壤也可用來(lái)制作具有榫卯結(jié)構(gòu)的磚塊，用于建造月球基地建筑。

“該策略將為未來(lái)月球科研站以及空間站建設(shè)提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務(wù)中發(fā)射驗(yàn)證性設(shè)備以完成進(jìn)一步確認(rèn)?！卑缀Ｑ笳f(shuō)。

(編輯:月兒)