從千百年前的“舉頭望明月”開始，人們就已經(jīng)開啟了對月亮的無限想象。人們能夠飛到月亮上一窺嫦娥的美貌嗎？月球上是否有水能夠讓人們生存下去？如果沒有可以直接使用的水，那要用什么方法生產(chǎn)大量的水？今天，中國科學(xué)家給出了答案——

　　中國科學(xué)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(xué)院物理研究所(以下簡稱“物理所”)等科研團隊從我國嫦娥五號月壤研究中發(fā)現(xiàn)了一種全新的利用月壤大量生產(chǎn)水的方法，1噸月壤有望生產(chǎn)超50千克水，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)。

　　8月22日，相關(guān)成果在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》(The Innovation)。

　　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。

　　然而，前期研究結(jié)果表明，月壤玻璃、斜長石、橄欖石和輝石等多種月壤礦物中含有少量水，但這些礦物的含水量僅在0.0001%-0.02%之間，極其稀少，難以在月球原位提取利用。

　　沒有水，那就“制造”水！此次文章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(yīng)生產(chǎn)水的方法。科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽風(fēng)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(yīng)，生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1000℃以上時，月壤將會熔化，反應(yīng)生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。

　　經(jīng)高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態(tài)、元素成分檢測等多種實驗技術(shù)分析，研究團隊確認(rèn)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(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。

　　月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵�？蒲袌F隊進一步研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在五種月壤主要礦物(鈦鐵礦、斜長石、橄欖石、輝石、月壤玻璃)中，鈦鐵礦(FeTiO3)含氫量最高，其次是斜長石和月壤玻璃，鈦鐵礦的含氫量大約是斜長石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。

　　為了闡明月壤鈦鐵礦為什么能夠儲存如此大量的氫，科研人員通過高分辨電子顯微鏡實驗詳細(xì)研究了月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)，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(fēng)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”。

　　實驗還發(fā)現(xiàn)，電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度，水的生成溫度可以從600℃降低至200℃。這個結(jié)果可以解釋前人發(fā)現(xiàn)的氫元素在月球上分布隨著緯度的變化規(guī)律：赤道位置由于受太陽風(fēng)輻照最強，而太陽風(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；高緯度受太陽風(fēng)電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。

　　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。

　　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(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。

　　其中，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。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的。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。同時，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。

　　研究人員表示，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(wù)中發(fā)射驗證性設(shè)備以完成進一步確認(rèn)。

　　這項工作同時也得到了《創(chuàng)新》審稿人的高度評價。在評審意見中，四位審稿人一致認(rèn)為本工作發(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。