中國科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)水的方法
2024-08-27 09:35:45
來源：中國青年報客戶端
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月球上也能生產(chǎn)水？這不是科幻小說的情節(jié)，而是中國科學(xué)家通過研究嫦娥五號月壤不同礦物中的氫含量，提出的一種全新方法。該方法基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)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)。
北京時間8月22日，國際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）刊發(fā)了這一重要研究成果的論文。4名審稿人在評審意見中認為該工作發(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。
通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖
“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。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員霍軍濤說，探尋水資源是月球探測的首要任務(wù)之一。
之前，科學(xué)家主要關(guān)注月球上自然態(tài)水資源的分布情況。美國阿波羅號、蘇聯(lián)月球號和中國嫦娥五號探月任務(wù)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。今年7月，來自中國科學(xué)院物理研究所的科研團隊首次在嫦娥五號帶回的月球樣本中發(fā)現(xiàn)分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式，為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。
“通過對嫦娥五號月壤研究表明，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?！被糗姖f，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。
從手套箱中取出嫦娥五號月壤樣品（從左到右依次為：許巍副研究員、博士生陳霄、王軍強研究員、霍軍濤研究員、陳國新博士）。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖
經(jīng)過3年的深入研究和反復(fù)驗證，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。論文通訊作者之一、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員王軍強告訴記者，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。
據(jù)他介紹，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51千克—76千克水，相當于100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人一天的飲水量。
科研團隊進一步研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在5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。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)鐵和水蒸氣氣泡，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(guān)鍵?！蓖踯姀娬f。
月壤鈦鐵礦為什么能夠儲存如此大量的氫？科研人員進一步研究了月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，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”。
科研人員使用透射電子顯微鏡觀察月壤中“鐵-水蒸氣泡”伴生現(xiàn)象（前左博士生陳霄、前右陳國新博士、后左許巍副研究員、后中霍軍濤研究員、后右王軍強研究員）。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖
論文通訊作者之一、中國科學(xué)院物理研究所研究員白海洋告訴記者，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而揮發(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：
——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(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。
——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。
——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，也可以作為建筑材料。
——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(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?！卑缀Ｑ笳f。
該研究成果由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(xué)院物理研究所、航天五院錢學(xué)森實驗室、松山湖材料實驗室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京大學(xué)等科研團隊完成。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。（記者邱晨輝）
責任編輯：薛景爍
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