洪恒飞 高晓静 科技日报记者 江耘
1吨月壤有望生产出51—76千克的水，这是我国科研团队基于对嫦娥五号月壤不同矿物中氢含量的研究，得出的最新结论。
8月22日，国际学术期刊《创新》在线发表了中国科学院宁波材料技术与工程研究所、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、哈尔滨工业大学和南京大学等单位科研团队合作完成的研究论文。该研究论文中，科研团队提出一种基于高温氧化还原反应生产水的全新方法，认为这一方法可利用月壤大量产水。
月壤被加热会释放大量水蒸气
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。因此，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。
以往，科学家主要关注月球上自然态水资源的分布情况。美国Apollo、前苏联Luna以及我国嫦娥五号探月任务前期研究结果表明，在月球南极和北极以及常年阴影区可能存在自然态的冰。
论文通讯作者之一、中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员介绍，通过对嫦娥五号月壤研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄石和辉石等多种月壤矿物中含有少量水。
然而，这些矿物中的含水量仅在0.0001%—0.02%之间，含量极其稀少，难以在月球原位提取利用。研究探测新的月球水资源及其开采策略，无疑是未来探月工程的重点内容。
此次研究中，科研人员经过三年的深入研究和反复验证后发现，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照，储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原反应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。
经过高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等多种实验技术分析，科研团队确认1克月壤中大约可以产生51至76毫克水（即5.1%—7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约51至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。
月壤采水及利用策略包含五步
科研团队发现，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，钛铁矿的含氢量大约是斜长石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。
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。这进一步证明月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。
为阐明月壤钛铁矿能够储存如此大量的氢的原因，科研人员详细研究了月壤钛铁矿的原子结构。与地球上的钛铁矿相比，月壤钛铁矿原子间距由于氢的存在显著增大。
计算模拟显示，月壤钛铁矿中存在纳米微小孔道，这种纳米孔道可以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，是名副其实的月球“蓄水池”。
实验发现，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℃。基于以上研究结果，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。第一步，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；第二步，收集产生的水蒸气被冷凝成水，并被收集储存在水箱中，可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要；第三步，通过电分解水可以产生氧气和氢气，氧气可以供人类呼吸、氢气可以作为能源使用；第四步，制造过程中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；第五步，熔融的月壤也可以用来制作具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。
王军强介绍，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，并有望在后续的嫦娥探月任务中发射验证性设备，以完成进一步确认。
