我国科学家通过研究嫦娥五号月壤发现可大量生产水的方法

　　22日，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的消息显示，我国科研团队在国际学术期刊《创新》在线发表了题为《月球钛铁矿与内源性氢反应产生大量水》的研究文章。该文章通过研究嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，提出一种全新的基于高温氧化还原反应生产水的方法，1吨月壤将可以产生约51至76千克水，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。

　　“之前的研究结果表明，在月球南极和北极以及常年阴影区可能存在自然态的冰，月壤玻璃、斜长石、橄榄树石和辉石等多种月壤矿物中含有少量水，但这些矿物中的含水量仅在0.0001%至0.02%之间，极其稀少，难以在月球原位提取利用。”宁波材料技术与工程研究所研究员王军强介绍，水是建设月球科研站及未来开展月球星际旅行、保障人类生存的关键资源，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。

　　为此，王军强研究员带领团队与中国科学院物理研究所、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室、哈尔滨工业大学和南京大学合作，于2021年承担了嫦娥五号月壤首批研究任务。经过3年的深入研究和反复验证，发现一种全新的在月球制备水的方法。

　　研究表明，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照，储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与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，月壤熔化反应生成的水以水蒸气的方式释放出来。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（即5.1%至7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约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人一天的饮水量。

　　电子显微镜下的原位加热实验证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸气气泡，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。这进一步阐释了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。

　　计算模拟显示，月壤钛铁矿中存在着纳米微小孔道，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”。

　　实验还发现，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800℃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而变化的规律：赤道位置由于受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得其中的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。”王军强说。

　　基于此，科研团队提出了具有可行性的月球水资源原位开采与利用策略——通过凹面镜或菲涅尔透镜聚焦太阳光加热月壤至熔融，产生的水蒸气冷凝成水，并被收集存储在水箱中，通过电分解水可以产生氧气和氢气，氧气可以供人类呼吸，氢气可以作为能源使用。“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。熔融的月壤也可以用来制作成具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。”王军强说。