一噸月壤生產(chǎn)50千克水？我國探月重大發(fā)現(xiàn)，月球基地規(guī)劃或加強(qiáng)設(shè)計

作者：房廣林 科普視頻創(chuàng)作者

嫦娥五號帶回的月壤又有了新發(fā)現(xiàn)。2024年8月，中國科學(xué)院科研團(tuán)隊經(jīng)過三年的深入研究和反復(fù)驗證，給出了一種具有可行性的月球水資源原位開采和利用的策略，是一種全新的利用月壤生產(chǎn)大量水的方法。并在國際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》發(fā)表了題為《月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應(yīng)產(chǎn)生大量水》的研究文章。該文章通過研究嫦娥五號月壤不同礦物中的氫含量，創(chuàng)新的提出了一種基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水的方法，通過換算能夠讓1噸月壤將可以產(chǎn)生約51-76千克水，有望為未來月球科研站的建設(shè)提供重要設(shè)計依據(jù)。

想要在月球建設(shè)科研站及未來開展月球星際旅行，水是首要保障人類生存的關(guān)鍵資源之一，以后月球基地建好了，想要長期駐留進(jìn)行月球探測和開采資源，探尋水資源就成了月球探測的首要任務(wù)。世界各國探月工程的首要任務(wù)也幾乎都是圍繞這一關(guān)鍵主題，來開展水資源在月球上分布情況的探究。之前的研究結(jié)果表明，在月球南極和北極，尤其是靠近南極點的一些又大又深的隕石坑內(nèi)都有著永久陰影區(qū)，有很大可能存在自然態(tài)的冰，盡管相比月球赤道地區(qū)和非兩極地區(qū)，在月球南北極著陸要困難多。但目前有能力探月的國家都扎堆去月球南極。不管是現(xiàn)在日本、印度、美國的無人（月球）探測器，我國的嫦娥六號月球背面南極地區(qū)采樣返回，還是未來我國的載人登月和月球基地，目標(biāo)定位都在月球南級地區(qū)，就是要沖著找水去的。

我國科研人員通過對嫦娥五號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都含有少量的水，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和利用。但是在對月壤中鈦鐵礦的加熱中卻得到了出人意料的結(jié)果。起初科研人員加熱鈦鐵礦，是想要看到氦的釋放，結(jié)果沒有看到氦的釋放，而是看到了滿屏氣泡的生成，感到非常驚訝。

通過電子顯微鏡下的原位加熱實驗顯示出，月壤鈦鐵礦加熱后同步生成了大量單質(zhì)鐵和水蒸氣氣泡，其它含鐵月壤礦物加熱后生成了少量單質(zhì)鐵和氣泡，而在對地球上的同種礦物加熱則不會生成單質(zhì)鐵和氣泡。

你看看， 這月壤的特殊性就顯現(xiàn)出來了，畢竟是另外一個天體上的東西。這一結(jié)果表明月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵。

那么要怎樣來驗證這個泡泡就是水蒸氣的氣泡呢？

科研人員做了電子能量損失譜，在8個多電子伏特的時候，這有一個明顯的峰，就是水的信號，說明這個位置生成的確實是水。

經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，月壤礦物中儲存了大量的氫。在加熱至高溫后，氫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，月壤會熔化，反應(yīng)生成的水就會以蒸氣的形式釋放出來，在冷凝就得到水了。 有方法能夠得到水，這么重中之重的資源能夠在其他天體上得到，那對后續(xù)的開發(fā)和探測有了重要資源的保障。

經(jīng)過多種實驗技術(shù)分析，研究團(tuán)隊確認(rèn)，1克月壤中大約可以產(chǎn)生51-76毫克水。這個比例相當(dāng)可觀?。】赡茉诘厍蛏峡粗黄鹧?，但在月球上以此計算，1噸月壤就將產(chǎn)生約51-76千克水，咱拿500ml瓶裝水算就是100多瓶，基本可以滿足50人一天的飲水量。 雖然短時間內(nèi)月球基地不可能一次駐留超過多人，這種量級的產(chǎn)水量，除了能夠保障日常生活，太空種植和其他活動都綽綽有余了。當(dāng)然目前還存在在實驗室階段，離月球上實用還有段時間，但是距離2030年前我國實現(xiàn)載人登月，到后續(xù)能夠長期駐留月球基地，還有至少10年時間，到時候相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備被運上月球，只是時間問題了。 能否就地取材真正的發(fā)現(xiàn)月球上的直接存在的冰并加以利用還有很多變數(shù)，如果利用月壤資源生產(chǎn)制備出水必須是重要要研究的方向。雙管齊下，事半功倍。

這張圖是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含水量的對比。（配圖）

那么這些氫究竟是從哪里來的呢？

從根本上說其實是太陽送過來的，因為太陽噴射出來的太陽風(fēng)里面就含有大量的氫離子，這些氫離子飛行的速度非?？欤棵肟蛇_(dá)600~1000公里以上，這些氫離子在與月壤接觸的過程中逐漸嵌入到月壤顆粒中，尤其是表層的礦物質(zhì)里。經(jīng)過數(shù)十億年的積累，使得月壤成為了潛在的“氫庫”。這天然的氫能資源必須得利用起來了?。?通過加熱月壤樣本到合適的溫度，就可以使這些氫元素從礦物結(jié)構(gòu)中釋放出來。經(jīng)計算模擬顯示，月壤鈦鐵礦中存在著納米微小孔道，可以吸附并儲存大量來自太陽風(fēng)的氫原子。每個鈦鐵礦分子可以吸附4個氫原子，是名副其實的月球“蓄水池”。

那通過什么有效的裝備可以把水提煉出來呢？

基于這些研究，科研團(tuán)隊提出了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，產(chǎn)生的水蒸氣冷凝成水，收集存儲在水箱中，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。鐵用于制造永磁和軟磁材料，為電力電子器件提供原材料或用作建筑材料。熔融的月壤也可以用來制作具有榫卯結(jié)構(gòu)的陶瓷玻璃磚塊，用于建造月球基地的建筑材料。生產(chǎn)出來的產(chǎn)物是什么也不浪費哈，中國航天真的是勤儉持家?。?/p>

專家表示，該策略將為我國未來月球科研站的建設(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(jìn)一步確認(rèn)。

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而變化的規(guī)律。由于赤道位置受太陽風(fēng)輻照最強(qiáng)，太陽風(fēng)中含有的大量電子，使其中的氫更多的被還原成水蒸氣揮發(fā)出來。而緯度較高的地方受太陽風(fēng)電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。

此次的重大發(fā)現(xiàn)也會直接影響到后續(xù)的一系列任務(wù)設(shè)計。水是生命之源，有水，就有一切的可能；人類之后的探索和試驗，就有了方向，比如進(jìn)行作物種植培育或為建立月球基地設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)。

說到這里，大家可能會問，那么是不是就說明在月球上真的可以種植蔬菜了呢？

此前就有專家進(jìn)行過分析，由于月球現(xiàn)在沒有大氣層，屬于是微真空環(huán)境，這種情況下，植物肯定是沒有辦法生長的。不過既然發(fā)現(xiàn)了從月壤中取水的方法，如果是未來進(jìn)行溫室大棚的建造，只要里面有足夠的空氣和水，利用月壤種植多種作物也應(yīng)該是沒有問題的。

總之，這個發(fā)現(xiàn)，屬于一次世界范圍內(nèi)，真真實實有樣本有數(shù)據(jù)的地外水發(fā)現(xiàn)！也就是說，月球雖然看上去一片孤寂，但是絕對隱藏了太多的秘密了，我們也正在逐步的揭開。

2020年，嫦娥五號進(jìn)行了月球正面的月壤采集和返回任務(wù)，實現(xiàn)了“繞落回”一氣呵成。隨后科研人員一直在不斷對帶回的樣本進(jìn)行揭秘，雖然樣本重量只有1731克，但已經(jīng)產(chǎn)生了足夠多的研究成果。我們不止是擁有嫦娥五號從月球正面帶回的月壤，也有2024年嫦娥六號從月球背面南極艾特肯盆地采集帶回的月壤樣本，通過后續(xù)的研究肯定陸續(xù)還會有更多新的發(fā)現(xiàn)。未來還有嫦娥七號，也是要去到月球南極，除了繼續(xù)開展月球南極區(qū)域的環(huán)境探測任務(wù)之外，其中的一個重點目標(biāo)就是要尋找可能存在的水冰物質(zhì)。隨著2024年6月14號，就是前段時間，我國自主研制用于載人登月任務(wù)的長征十號系列火箭，成功完成了一子級火箭動力系統(tǒng)試車，未來大推力的火箭，也將迎來首飛，距離中國人踏上月球的腳步越來越近了！

這樣一次又一次的探月任務(wù)的接力，都是為了我們乃至人類能夠最終實現(xiàn)建造月球科研基地等一系列月球開發(fā)的宏偉目標(biāo)和更深遠(yuǎn)的深空探測打下基礎(chǔ)。隨著航天科技的發(fā)展，也會有更多的科技成果進(jìn)入到生活中。中國航天，永遠(yuǎn)值得期待！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：房廣林 科普視頻創(chuàng)作者

審核：王軍強(qiáng) 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司