中国科学家发现月壤制水新方法：1吨月壤可制备51千克水
中国科学家发现月壤制水新方法：1吨月壤可制备51千克水
中国科学家团队在《创新》期刊上发表最新研究成果，揭示了月壤中钛铁矿与内源性氢反应产生水的机制。这一发现不仅为月球基地建设提供了新的水资源获取方案，更为未来深空探测任务奠定了重要基础。
2024年8月22日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队联合中国科学院物理研究所、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室和南京大学等科研团队公布了一项重要研究成果。研究团队在《创新》（The Innovation）期刊上发表了题为“月球钛铁矿与内源性氢反应产生大量水”的研究论文，介绍了使用月壤制水的全新方法，并提出具有可行性的月球水资源原位开采策略。研究人员认为，这一成果将为未来月球科研站与空间站的建设提供设计依据。
中国科学家发现月壤制水新方法
“满屏气泡”启发月壤制水新方法
这一重要发现源于一次意外的实验观察。据中国科学院宁波材料技术与工程研究所的陈霄博士介绍，研究团队在加热月壤中的钛铁矿时，原本期望看到氦的释放，却意外地观察到了满屏气泡的生成。随后，通过电子能量损失谱验证，确认这些气泡的成分正是水蒸气。
钛铁矿是月壤中的常见矿物，与斜长石、辉石、橄榄石等其他3种矿物共同构成了月壳晶体物质的98%以上。每份钛铁矿由1份铁、1份钛和3份氧组成。在高温条件下，钛铁矿可以与氢发生氧化还原反应，生成二氧化钛、水和单质铁。实验中，月壤在1000℃的高温下熔化，水以水蒸气的形式释放出来，形成了研究人员观察到的“满屏气泡”。
进一步研究发现，月壤钛铁矿的原子间距明显大于地球上的钛铁矿，这种结构差异使得月壤钛铁矿能够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，从而为月球上的“小水库”提供了可能。相比之下，地球上的钛铁矿由于地球磁场和大气的保护作用，太阳风无法到达地面，因此不会嵌入这么多氢。
研究人员还对比了不同月球矿物中的含氢量，发现钛铁矿的含氢量最高，大约是斜长石的3.5倍、月壤玻璃的10倍。电子显微镜下的加热实验表明，与其他含铁月壤矿物相比，月壤钛铁矿在加热时会产生大量单质铁和水蒸气气泡，这进一步证实了太阳风注入月壤矿物中的氢是产生水的关键。
实验室数据显示，在1000℃的高温下，1克月壤可以产生51毫克到76毫克的水。如果有相同成分的1吨月壤，就能用它制备至少51千克的水，相当于100多个常见的500毫升饮料瓶的容量，足够一个人饮用一个多月。
月球原位取水为何很重要
这一发现的重要意义在于，它表明月球水资源的获取不需要从地球上运送原材料，所有的反应原料都可以在月球上找到。这不仅大大降低了成本，也为月球基地的建设和长期驻留提供了新的可能性。
月球水资源的原位获取技术不仅可以直接应用于月球基地的建设与长期运行，还有助于未来火星资源的开发利用及载人火星探测等重大任务的完成。此外，月球水冰资源的勘探本身就是一个重要的科研课题，它可以帮助科学家揭示地球生命起源、地月系统形成与演化、月球岩浆海洋演化、地幔挥发分含量、月球撞击历史，以及太阳风和月球表面相互作用等一系列重大科学问题。
嫦娥5号月壤样品
“加氢还原制水”渐成主流可行方案
在此次中国科学家发现新的月壤制水方法之前，关于月球的水研究已在世界范围内开展多年。目前，科学界对于月球原位取水主要形成了两种思路：一是找到现成水分子，就地提取；二是通过化学方式，设法使氢和月壤中的氧化物反应，制造出水。
在寻找冰或水合矿物的方向上，一些国家将目光投向月球两极，那里存在较大面积的永久阴影区，恒久的严寒能够把丰富的水分子以冰的形式束缚在月壤中。1998年，美国航天局发射的月球勘探者号携带的中子光谱仪在月球极区探测到大量氢富集的数据；2008年，印度发射的月船1号搭载的月球矿物绘图仪在月球两极发现了羟基或矿物水；2009年，美国航天局发射的月球环形山观测与遥感卫星撞击了月球南极凯布斯环形山的永久阴影区，一同前往的月球勘测轨道飞行器在近红外波段观测到水的吸收光谱，在紫外波段观测到羟基的发射谱线。
然而，最具说服力的证据是在月壤中直接发现水。从早期美国阿波罗任务采集的月壤中，人们没有发现任何含水矿物，一度让科学界认为月球是干燥的荒漠。时隔半个世纪，2024年7月，我国科研人员通过单晶衍射和化学分析，从嫦娥五号月壤样品的玄武岩中发现了一种富含水分子的新型矿物晶体——六水氯化镁铵，水分子的质量占该矿物总质量的41%。这是人类首次在月壤中直接发现水分子，并揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。
月球的冰资源主要集中在极区，难以在全月面广泛开采。因此，通过化学反应制造水，特别是钛铁矿的加氢还原制水，逐渐成为最具可行性和通用性的月面原位水补给方案。几十年来，美国航天局和欧洲空间局均进行过研究尝试，分别对钛铁矿、辉石、橄榄石样品、模拟月壤、玻璃质样品和月壤样品加氢还原制水，再从生成的水电解制氧。不过，这些方案中所用的氢均是外源性的，依然需要从地球运输。而我国科研团队此次的新发现表明，氢本身就存在于月壤内部，即可以利用“内源性”氢，因此这一研究成果确属极具革命性的重大突破。
月球水资源开采已提上日程
基于已有的月球水资源勘探和制备研究，世界各国科研机构提出了多种月球水资源原位获取的实施方案。无论是提取现成的水分子还是化学合成，都需要高温热源。月面具有丰富的太阳能资源，各种方案均采用了凹面镜或菲涅尔透镜汇聚太阳光的方式，来实现这一热源。在机械设备上，还有密闭帐篷、传送带式、钻杆式、旋耕式等多种月壤采集方案。
未来，月球科研站的选址纬度会成为选择采水技术的主要依据。比如，在纬度较高的月球两极地区，永久阴影区分布较广，冰资源相对丰富，可优先发展冰资源提取的技术手段。在难以找到永久阴影区的中低纬度地区，阳光和太阳风更为强烈，则更适合发展月壤氢还原制水技术，以解决月面长期驻留的水资源补给需求。
月壤的原位开采、运输和矿物富集是月面原位水资源获取规模化应用的重要基础。而极区含冰月壤的高效钻取及运输，还有待进一步探索高效的技术方法和充分实验。此外，钛铁矿作为月壤氢还原制水的主要原材料，其采矿分选技术难题尚需突破。
对于新发现的月壤钛铁矿原位制水法，科学家期待能早日设计出验证性样机，并参与后续某期嫦娥探月任务甚至载人登月任务，以完成实地确认。至于利用月球冰资源制水的工作，目前我国的嫦娥七号探测器也已立项推进冰资源勘测与原位提取利用的实施方案。该探测器计划前往月球南极，在永久阴影区开展冰资源钻探科研活动。中国空间技术研究院提出的提取方法主要采用的是含冰月壤螺旋钻取与高倍聚光加热一体式设计，现已分别进行了地面环境原理验证和模拟月面低温真空环境取水实验，均取得了良好效果。但是，月球南极冰资源的具体分布区域、存在状态与埋藏深度等关键信息，还需要通过极区实地探测进一步确定。
月球科研基地创意图
总之，在月球上原位提取或制备水不仅可以满足人类在月球上的长期生活需求，还能为深空探测任务提供巨大的便利。尽管目前还存在着诸多技术和成本方面的挑战，但通过科学家的不懈努力与密切的国际合作，相信种种困难都会有解决之法，并将不断取得新的突破。
本文原文来自腾讯新闻