1吨月壤可产生超50千克水！这项研究让“月球种菜”更有谱了

　　月球上是否存在水，学术界一直在探究；但月球上能不能“造”出水，这个问题却已有答案。记者从中国科学院宁波材料所获悉，该所和中国科学院物理所等单位组成的科研团队经过研究验证，发现了一种全新的利用月壤大量生产水的方法，有望为未来月球科研站及空间站的建设提供设计依据。22日，相关文章在学术期刊《创新》（The Innovation）上发表。

　　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。科学家之前主要关注月球上自然态水资源的分布情况，前期研究结果表明，月壤玻璃等多种矿物中含有少量水，但含水量仅在0.0001%-0.02%之间，难以在月球原位提取利用。

　　2021年，作为浙江省唯一一个拿到嫦娥5号月壤的科研单位，宁波材料所也开始寻找月壤中水的踪迹。但和同行一样，他们并没有太多发现。直到2022年3月，科研人员在实验中发现，月壤经加热后会产生少量的水蒸气，这让大家颇为兴奋。

科研人员使用透射电子显微镜观察月壤中“铁-水蒸气泡”伴生现象。中国科学院宁波材料所供图

“水由氢和氧构成，月球上氧化物不少，太阳风中又有氢，水的生成，是否意味着月球矿物中本身有大量的氢存在？”宁波材料所王军强研究员向记者解释道。

　　经电子能量损失谱等多种先进技术手段分析，科研人员发现，在五种月壤主要矿物（钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃）中，钛铁矿含氢量最高，其次是斜长石和月壤玻璃。电子显微镜下的原位加热实验也证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸气气泡，而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。这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。

月壤加热过程中水和单质铁的形成过程以及各种主要矿物的含水量对比。中国科学院宁波材料所供图

　　月壤钛铁矿为什么能够储存如此多的氢？“计算模拟显示，月壤钛铁矿中存在纳米微小孔道，像海绵一样，这种纳米孔道可吸附并储存大量来自太阳风的氢原子。”王军强介绍，每个钛铁矿分子可吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。

　　经过反复实验，研究团队确认1克月壤中大约可以产生51-76毫克水（即5.1%-7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约51-76千克水，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。

　　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600℃降低至200℃。这可以解释前人发现的氢元素在月球上分布随着纬度的变化规律：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，可保留更多的氢。

通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图。中国科学院宁波材料所供图

　　基于相关研究，科研团队提出一种具有可行性的月球水资源原位开采与利用策略：首先通过凹面镜或菲涅尔透镜聚焦太阳光加热月壤至熔融，加热过程中，月壤将会与太阳风中注入的氢反应生成水、单质铁和陶瓷玻璃。“水蒸气被冷凝成水，可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。而生成的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。”王军强介绍。

　　记者了解到，该策略将为未来月球科研站以及空间站建设提供重要的设计依据，并有望在后续嫦娥探月任务中发射验证性设备以完成进一步确认。