寧波材料所通過研究發(fā)現(xiàn)利用月壤生產(chǎn)大量水的方法
8月22日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊聯(lián)合中國科學院物理研究所、航天五院錢學森實驗室、松山湖材料實驗室、哈爾濱工業(yè)大學和南京大學等科研團隊在國際學術期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）在線發(fā)表了題為“月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應產(chǎn)生大量水（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）”的研究文章（DOI:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100690）。該成果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生產(chǎn)水的方法，將為未來月球科研站及空間站的建設提供重要的設計依據(jù)。
水是建設月球科研站及未來月球星際旅行，保障人類生存的關鍵資源。因此，探尋水資源是月球探測的首要任務之一?？茖W家之前主要關注月球上自然態(tài)水的分布情況。Apollo、Luna和嫦娥五號探月任務前期研究結(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。帶回的月壤研究表明，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。但這些礦物中的含水量僅在0.0001%-0.02%之間，含量極其稀少，難以在月球原位提取利用。因此，研究探測新的月球水資源及其開采策略，無疑是未來探月工程的重點內(nèi)容。
經(jīng)過3年的不懈努力，科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽風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)生氧化還原發(fā)應，生成單質(zhì)鐵和大量水。當溫度升高至1200K以上，月壤將會熔化，反應生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來（見圖1A）。
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)、元素成分等多種實驗檢測技術分析，研究團隊確認1克月壤大約可以產(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。
科研團隊進一步研究了不同月球礦物的氫含量區(qū)別。在五種月壤主要礦物中，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（見圖1B）。電子顯微鏡下的原位加熱實驗也證明，月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質(zhì)鐵和水蒸氣泡（見圖1C-E），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生成單質(zhì)鐵和氣泡。這進一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關鍵。
為了闡明月壤鈦鐵礦為什么能夠儲存如此大量的氫，科研團隊通過高分辨電子顯微鏡實驗，研究發(fā)現(xiàn)月壤鈦鐵礦相比地球上的同種礦物存在明顯的晶格膨脹。結(jié)合第一性原理計算模擬，月壤鈦鐵礦由于其獨特的晶體結(jié)構，在晶格（4?11）方向存在亞納米孔道，這種納米孔道可以吸附并儲存大量來自太陽風氫原子。當每個FeTiO3分子可以吸附4個氫原子時，模擬得到的晶格膨脹結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相吻合。
實驗還發(fā)現(xiàn)，原位電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應溫度。在1.5-2 nA 和300 kV電子束的輻射下，水的生成溫度可以從873K以上降低至473K。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輻照最強，而太陽風中含有大量電子，使得其中的氫更多被還原成水蒸氣揮發(fā)出來；高緯度受太陽風電子輻照影響較小，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（見圖2）：（1）首先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，月壤將會與太陽風中注入的氫反應生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。（2）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。（3）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。（4）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。（5）熔融的月壤也可以制作成具有榫卯結(jié)構的陶瓷玻璃磚塊，用于建造月球基地建筑。該策略將為未來月球科研站以及空間站建設提供重要的設計依據(jù)，并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務中發(fā)射驗證性設備以完成進一步確認。
寧波材料所霍軍濤研究員、王軍強研究員和物理所白海洋研究員為通訊作者，寧波材料所博士生陳霄和楊世玉、陳國新博士、許巍副研究員為論文的共同第一作者，寧波材料所為第一完成單位與第一通訊單位。合作單位包括物理所、松山湖材料實驗室、航天五院錢學森實驗室、哈爾濱工業(yè)大學和南京大學等。
圖1 月壤加熱過程中水和單質(zhì)鐵的形成過程以及各種主要礦物的含水量對比。A. 加熱過程中月壤鐵元素的價態(tài)變化；B.月壤中主要礦物的氫含量對比，插圖為考慮礦物在月壤中含量的加權氫的總體含量；C.月壤鈦鐵礦加熱后的透射電鏡圖；D和E為月壤鈦鐵礦加熱過程中水氣泡和單質(zhì)鐵的放大圖，兩者具有伴生關系。
圖2 通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖
（磁材實驗室 陳霄）
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