中國(guó)揭秘：月球之水如何“天上”來(lái)

　　1噸月壤有望制備至少51千克水！中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)日前在《創(chuàng)新》(TheInnovation)期刊上發(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”的研究論文，介紹了使用月壤制水的全新方法，并提出具有可行性的月球水資源原位開(kāi)采策略。研究人員認(rèn)為，這一成果將為未來(lái)月球科研站與空間站的建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　各國(guó)探月科學(xué)家為何都將水作為研究重點(diǎn)？月球?qū)に�究竟難在哪里？制水技術(shù)的突破將給未來(lái)的深空探測(cè)帶來(lái)什么幫助？

　　“滿屏氣泡”啟發(fā)月壤制水新方法

　　2024年8月22日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所、航天五院錢(qián)學(xué)森實(shí)驗(yàn)室、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室和南京大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)研究成果，介紹了一種新的月壤制水方法。

　　說(shuō)起來(lái)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)還有些戲劇性，月壤制水的新方法是科學(xué)家在研究嫦娥五號(hào)月壤樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)的。據(jù)中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的陳霄博士介紹，當(dāng)時(shí)加熱月壤中的鈦鐵礦原本是想看到氦的釋放，結(jié)果沒(méi)有看到氦的釋放，卻看到了滿屏氣泡的生成。隨后，經(jīng)過(guò)電子能量損失譜驗(yàn)證，這些氣泡的成分正是水蒸氣。

　　鈦鐵礦是月壤中的常見(jiàn)礦物，它與斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石等其他3種礦物占了月殼晶體物質(zhì)的98%以上，這一特征也是判斷“月壤”或“月球隕石”真?zhèn)蔚闹匾�依�?jù)。每份鈦鐵礦由1份鐵、1份鈦和3份氧組成，如果在高溫下遇到兩份氫，就會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧把鐵丟到一邊，轉(zhuǎn)而和氫結(jié)合成水，反應(yīng)的最終產(chǎn)物是二氧化鈦、水與單質(zhì)鐵。實(shí)驗(yàn)中，月壤在1000℃的高溫下熔化，水以水蒸氣的形式釋放了出來(lái)，這就是研究人員意外看到的“滿屏氣泡”。

　　既然反應(yīng)的關(guān)鍵是鈦鐵礦遇到氫，那么月壤中的氫來(lái)自何方呢？科學(xué)家研究月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，與地球上的鈦鐵礦相比，月壤鈦鐵礦的原子間距明顯較大。計(jì)算模擬結(jié)果表明，月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，可以吸附并儲(chǔ)存大量來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的氫原子。每個(gè)鈦鐵礦分子可以吸附4個(gè)氫原子，如此一來(lái)，有氧有氫，便有望成就月球上的“小水庫(kù)”。反觀地球上的鈦鐵礦，則不會(huì)嵌入這么多氫，因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)和大氣的保護(hù)作用，太陽(yáng)風(fēng)根本到達(dá)不了地面。

　　研究人員還進(jìn)一步對(duì)比了不同月球礦物中的含氫量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈦鐵礦含氫量最高，其次是斜長(zhǎng)石和月壤玻璃。鈦鐵礦的含氫量大約是斜長(zhǎng)石的3.5倍、月壤玻璃的10倍。電子顯微鏡下的加熱實(shí)驗(yàn)表明，和月壤鈦鐵礦同步生成的大量單質(zhì)鐵和水蒸氣氣泡不同，其他含鐵月壤礦物只產(chǎn)生了少量單質(zhì)鐵和氣泡，而地球上的同種礦物根本不會(huì)生成單質(zhì)鐵和氣泡。這進(jìn)一步證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)注入月壤礦物中的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵。

　　當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)并非全憑運(yùn)氣。如前所說(shuō)，他們加熱月壤時(shí)，原本期望看到氦的釋放�？珊な菤怏w，水蒸氣也是氣體，最后是什么讓他們意識(shí)到“滿屏氣泡不是氦而是水蒸氣”的呢？原因其實(shí)也很簡(jiǎn)單，之前研究人員已經(jīng)了解到，氦氣泡的產(chǎn)生位置集中在鈦鐵礦顆粒的非晶質(zhì)表面，而此次的氣泡是從非晶質(zhì)表面到晶質(zhì)內(nèi)部均勻涌現(xiàn)的，二者大不同。因此，是科學(xué)知識(shí)的積淀給了研究人員一雙敏銳的眼睛。

　　那么，使用這一方法，究竟能夠制備多少水呢？實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，在1000℃的高溫下，1克月壤可以產(chǎn)生51毫克到76毫克的水。如果有相同成分的1噸月壤，就能用它制備至少51千克的水，可以裝進(jìn)100多個(gè)常見(jiàn)的500毫升飲料瓶，足夠一個(gè)人喝一個(gè)多月。

中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月壤制水新方法

　　月球原位取水為何很重要

　　綜上，想要在月球上制水，其反應(yīng)所需的氫可以從月壤中獲得，這也是中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的論文標(biāo)題“月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應(yīng)產(chǎn)生大量水”中“內(nèi)源性”的由來(lái)。這3個(gè)字包含的信息量巨大，也是至關(guān)重要的好消息，因?yàn)檫@意味著所有的原材料都能在月球上找到，而不需要花費(fèi)巨大代價(jià)從地球上運(yùn)送過(guò)去。

　　為什么月壤制水的新發(fā)現(xiàn)令人歡欣鼓舞呢？這和人類(lèi)的長(zhǎng)期月球計(jì)劃分不開(kāi)。在人類(lèi)進(jìn)行月面駐留與科學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，水、氧等生存物資是最基礎(chǔ)的物質(zhì)需求，也是開(kāi)展月面科學(xué)實(shí)驗(yàn)與活動(dòng)的必要條件。生存物資完全依靠地球補(bǔ)給的技術(shù)手段難以滿足長(zhǎng)期駐月任務(wù)需求，所以必須另辟蹊徑——利用月球資源原位獲取生存物資。

　　目前，我國(guó)已成功實(shí)施無(wú)人月球探測(cè)階段的“繞、落、回”三期工程。實(shí)際上，從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的“探、登、駐”三大步目標(biāo)來(lái)看，“繞、落、回”只是完成了“探”這第一步。月球探測(cè)作為深空探測(cè)任務(wù)的前沿，已成為主要航天大國(guó)的首要目標(biāo)，在月面建立永久居住和科研的設(shè)施、開(kāi)展長(zhǎng)期月面駐留和科學(xué)活動(dòng)被視作遠(yuǎn)期目標(biāo)。2016年，我國(guó)在與國(guó)外航天機(jī)構(gòu)會(huì)談時(shí)便開(kāi)始倡議共建國(guó)際月球科研站。而國(guó)際上涌現(xiàn)的新一輪探月高潮，也呈現(xiàn)出“近地軌道-地月系-火星的深空探測(cè)”發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　月球科研站的重要性在于它能夠完成科學(xué)探測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)、資源勘查與利用、深空探測(cè)中轉(zhuǎn)等各項(xiàng)任務(wù)。作為月面最重要的生存物資和原位科研生產(chǎn)的基礎(chǔ)原材料，月球的水資源會(huì)逐漸成為月球建站及長(zhǎng)期駐留的必備戰(zhàn)略資源，同時(shí)也將是各國(guó)月球任務(wù)的主要目標(biāo)。

　　簡(jiǎn)言之，月球水資源的原位獲取技術(shù)不僅可直接作為月球基地建設(shè)與長(zhǎng)期運(yùn)行的必備技術(shù)，還有助于未來(lái)火星資源開(kāi)發(fā)利用及載人火星探測(cè)等重大任務(wù)的完成。

　　除此之外，月球水冰資源的勘探本身就是一項(xiàng)重要的科研課題，科學(xué)家希望借助其揭示地球生命起源、地月系統(tǒng)形成與演化、月球巖漿海洋演化、地幔揮發(fā)分含量、月球撞擊歷史，以及太陽(yáng)風(fēng)和月球表面相互作用等一系列重大科學(xué)問(wèn)題的奧秘。

嫦娥5號(hào)月壤樣品

　　“加氫還原制水”漸成主流可行方案

　　在這次中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的月壤制水方法之前，關(guān)于月球的水研究已在世界范圍內(nèi)開(kāi)展多年，也取得了一些不俗的成果。目前，科學(xué)界對(duì)于月球原位取水主要形成了兩種思路：一是找到現(xiàn)成水分子，就地提取，水分子可以是冰的形式，也可以是含水礦物的形式；二是通過(guò)化學(xué)方式，設(shè)法使氫和月壤中的氧化物反應(yīng)，制造出水。

　　在尋找冰或水合礦物的方向上，一些國(guó)家將目光投向月球兩極，那里存在較大面積的永久陰影區(qū)，恒久的嚴(yán)寒能夠把豐富的水分子以冰的形式束縛在月壤中。1998年，美國(guó)航天局發(fā)射了月球勘探者號(hào)，它攜帶的中子光譜儀在月球極區(qū)探測(cè)到大量氫富集的數(shù)據(jù)，只是無(wú)法確定是冰還是礦物中的結(jié)晶水或羥基(氫氧基)；2008年，印度發(fā)射的月船1號(hào)搭載的月球礦物繪圖儀在月球兩極發(fā)現(xiàn)了羥基或礦物水，到了2018年，研究人員又利用其光譜歷史數(shù)據(jù)，最終確認(rèn)極區(qū)的永久陰影區(qū)內(nèi)存在冰資源；2009年，美國(guó)航天局發(fā)射的月球環(huán)形山觀測(cè)與遙感衛(wèi)星撞擊了月球南極凱布斯環(huán)形山的永久陰影區(qū)，一同前往的月球勘測(cè)軌道飛行器在近紅外波段觀測(cè)到水的吸收光譜，在紫外波段觀測(cè)到羥基的發(fā)射譜線。

　　然而，最具說(shuō)服力的終極證據(jù)還得是在月壤中直接發(fā)現(xiàn)水。從早期美國(guó)阿波羅任務(wù)采集的月壤中，人們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何含水礦物，一度讓科學(xué)界認(rèn)為月球是干燥的荒漠。時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)，2024年7月，我國(guó)科研人員通過(guò)單晶衍射和化學(xué)分析，從嫦娥五號(hào)月壤樣品的玄武巖中發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子的新型礦物晶體——六水氯化鎂銨，水分子的質(zhì)量占該礦物總質(zhì)量的41%。這是人類(lèi)首次在月壤中直接發(fā)現(xiàn)水分子，并揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)存在形式。

　　月球的冰資源主要集中在極區(qū)，難以在全月面廣泛開(kāi)采。所以，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制造水，特別是鈦鐵礦的加氫還原制水，逐漸成為最具可行性和通用性的月面原位水補(bǔ)給方案。幾十年來(lái)，美國(guó)航天局和歐洲空間局均進(jìn)行過(guò)研究嘗試，分別對(duì)鈦鐵礦、輝石、橄欖石樣品、模擬月壤、玻璃質(zhì)樣品和月壤樣品加氫還原制水，再?gòu)纳�成的水電解制氧。不過(guò)，這些方案中所用的氫均是外源性的，依然需要從地球運(yùn)輸。而我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)此次的新發(fā)現(xiàn)表明，氫本身就存在于月壤內(nèi)部，即可以利用“內(nèi)源性”氫，因此這一研究成果確屬極具革命性的重大突破。

　　月球水資源開(kāi)采已提上日程

　　如今，基于已有的月球水資源勘探和制備研究，世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)提出了月球水資源原位獲取的多種實(shí)施方案。無(wú)論是提取現(xiàn)成的水分子還是化學(xué)合成，都需要高溫?zé)嵩�。月面具有豐富的太陽(yáng)能資源，各種方案均采用了凹面鏡或菲涅爾透鏡匯聚太陽(yáng)光的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一熱源。在機(jī)械設(shè)備上，還有密閉帳篷、傳送帶式、鉆桿式、旋耕式等多種月壤采集方案。

　　未來(lái)，月球科研站的選址緯度會(huì)成為選擇采水技術(shù)的主要依據(jù)。比如，在緯度較高的月球兩極地區(qū)，永久陰影區(qū)分布較廣，冰資源相對(duì)豐富，可優(yōu)先發(fā)展冰資源提取的技術(shù)手段。在難以找到永久陰影區(qū)的中低緯度地區(qū)，陽(yáng)光和太陽(yáng)風(fēng)更為強(qiáng)烈，則更適合發(fā)展月壤氫還原制水技術(shù)，以解決月面長(zhǎng)期駐留的水資源補(bǔ)給需求。

　　月壤的原位開(kāi)采、運(yùn)輸和礦物富集是月面原位水資源獲取規(guī)�；瘧�(yīng)用的重要基礎(chǔ)。而極區(qū)含冰月壤的高效鉆取及運(yùn)輸，還有待進(jìn)一步探索高效的技術(shù)方法和充分實(shí)驗(yàn)。此外，鈦鐵礦作為月壤氫還原制水的主要原材料，其采礦分選技術(shù)難題尚需突破。

　　無(wú)論如何，安全可靠的技術(shù)方案必須經(jīng)過(guò)地面實(shí)驗(yàn)和月球?qū)嶒?yàn)的充分驗(yàn)證。例如在這次鈦鐵礦制水的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度，水的生成溫度可以降低400℃。但是在真實(shí)的月球環(huán)境中，電子輻照水平能否與地球上的模擬條件相同？還有沒(méi)有其他可能影響反應(yīng)溫度的因素存在？只有去月球一趟，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能放心。

　　對(duì)于新發(fā)現(xiàn)的月壤鈦鐵礦原位制水法，甚或稍顯過(guò)時(shí)的鈦鐵礦及外源性氫制水法，科學(xué)家期待能早日設(shè)計(jì)出驗(yàn)證性樣機(jī)，并參與后續(xù)某期嫦娥探月任務(wù)甚至載人登月任務(wù)，以完成實(shí)地確認(rèn)。至于利用月球冰資源制水的工作，目前我國(guó)的嫦娥七號(hào)探測(cè)器也已立項(xiàng)推進(jìn)冰資源勘測(cè)與原位提取利用的實(shí)施方案。該探測(cè)器計(jì)劃前往月球南極，在永久陰影區(qū)開(kāi)展冰資源鉆探科研活動(dòng)。中國(guó)空間技術(shù)研究院提出的提取方法主要采用的是含冰月壤螺旋鉆取與高倍聚光加熱一體式設(shè)計(jì)，現(xiàn)已分別進(jìn)行了地面環(huán)境原理驗(yàn)證和模擬月面低溫真空環(huán)境取水實(shí)驗(yàn)，均取得了良好效果。但是，月球南極冰資源的具體分布區(qū)域、存在狀態(tài)與埋藏深度等關(guān)鍵信息，還需要通過(guò)極區(qū)實(shí)地探測(cè)進(jìn)一步確定。屆時(shí)，只有探測(cè)器能夠到達(dá)理想的冰資源“礦區(qū)”，才能繼續(xù)開(kāi)采方案的驗(yàn)證工作。

　　總之，在月球上原位提取或制備水不僅可以滿足人類(lèi)在月球上的長(zhǎng)期生活需求，還能為深空探測(cè)任務(wù)提供巨大的便利。盡管目前還存在著諸多技術(shù)和成本方面的挑戰(zhàn)，但通過(guò)科學(xué)家的不懈努力與密切的國(guó)際合作，相信種種困難都會(huì)有解決之法，并將不斷取得新的突破。

月球科研基地創(chuàng)意圖