中國揭秘：月球之水如何“天上”來

　　1噸月壤有望制備至少51千克水！中國科學家團隊日前在《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采策略。研究人員認為，這一成果將為未來月球科研站與空間站的建設提供設計依據(jù)。

　　各國探月科學家為何都將水作為研究重點？月球?qū)に�究竟難在哪里？制水技術的突破將給未來的深空探測帶來什么幫助？

　　“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、松山湖材料實驗室和南京大學等科研團隊公布了一項研究成果，介紹了一種新的月壤制水方法。

　　說起來，這個發(fā)現(xiàn)還有些戲劇性，月壤制水的新方法是科學家在研究嫦娥五號月壤樣品時發(fā)現(xiàn)的。據(jù)中國科學院寧波材料技術與工程研究所的陳霄博士介紹，當時加熱月壤中的鈦鐵礦原本是想看到氦的釋放，結(jié)果沒有看到氦的釋放，卻看到了滿屏氣泡的生成。隨后，經(jīng)過電子能量損失譜驗證，這些氣泡的成分正是水蒸氣。

　　鈦鐵礦是月壤中的常見礦物，它與斜長石、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，就會發(fā)生氧化還原反應，氧把鐵丟到一邊，轉(zhuǎn)而和氫結(jié)合成水，反應的最終產(chǎn)物是二氧化鈦、水與單質(zhì)鐵。實驗中，月壤在1000℃的高溫下熔化，水以水蒸氣的形式釋放了出來，這就是研究人員意外看到的“滿屏氣泡”。

　　既然反應的關鍵是鈦鐵礦遇到氫，那么月壤中的氫來自何方呢？科學家研究月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構發(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，如此一來，有氧有氫，便有望成就月球上的“小水庫”。反觀地球上的鈦鐵礦，則不會嵌入這么多氫，因為地球磁場和大氣的保護作用，太陽風根本到達不了地面。

　　研究人員還進一步對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，其次是斜長石和月壤玻璃。鈦鐵礦的含氫量大約是斜長石的3.5倍、月壤玻璃的10倍。電子顯微鏡下的加熱實驗表明，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生成單質(zhì)鐵和氣泡。這進一步證實了太陽風注入月壤礦物中的氫是產(chǎn)生水的關鍵。

　　當然，研究團隊的發(fā)現(xiàn)并非全憑運氣。如前所說，他們加熱月壤時，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到“滿屏氣泡不是氦而是水蒸氣”的呢？原因其實也很簡單，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，是科學知識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？實驗室數(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100多個常見的500毫升飲料瓶，足夠一個人喝一個多月。

中國科學家發(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，其反應所需的氫可以從月壤中獲得，這也是中國科學家團隊的論文標題“月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應產(chǎn)生大量水”中“內(nèi)源性”的由來。這3個字包含的信息量巨大，也是至關重要的好消息，因為這意味著所有的原材料都能在月球上找到，而不需要花費巨大代價從地球上運送過去。

　　為什么月壤制水的新發(fā)現(xiàn)令人歡欣鼓舞呢？這和人類的長期月球計劃分不開。在人類進行月面駐留與科學活動的過程中，水、氧等生存物資是最基礎的物質(zhì)需求，也是開展月面科學實驗與活動的必要條件。生存物資完全依靠地球補給的技術手段難以滿足長期駐月任務需求，所以必須另辟蹊徑——利用月球資源原位獲取生存物資。

　　目前，我國已成功實施無人月球探測階段的“繞、落、回”三期工程。實際上，從更長遠的“探、登、駐”三大步目標來看，“繞、落、回”只是完成了“探”這第一步。月球探測作為深空探測任務的前沿，已成為主要航天大國的首要目標，在月面建立永久居住和科研的設施、開展長期月面駐留和科學活動被視作遠期目標。2016年，我國在與國外航天機構會談時便開始倡議共建國際月球科研站。而國際上涌現(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”發(fā)展態(tài)勢。

　　月球科研站的重要性在于它能夠完成科學探測、科學實驗、空間技術實驗、資源勘查與利用、深空探測中轉(zhuǎn)等各項任務。作為月面最重要的生存物資和原位科研生產(chǎn)的基礎原材料，月球的水資源會逐漸成為月球建站及長期駐留的必備戰(zhàn)略資源，同時也將是各國月球任務的主要目標。

　　簡言之，月球水資源的原位獲取技術不僅可直接作為月球基地建設與長期運行的必備技術，還有助于未來火星資源開發(fā)利用及載人火星探測等重大任務的完成。

　　除此之外，月球水冰資源的勘探本身就是一項重要的科研課題，科學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，以及太陽風和月球表面相互作用等一系列重大科學問題的奧秘。

嫦娥5號月壤樣品

　　“加氫還原制水”漸成主流可行方案

　　在這次中國科學家發(fā)現(xiàn)新的月壤制水方法之前，關于月球的水研究已在世界范圍內(nèi)開展多年，也取得了一些不俗的成果。目前，科學界對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；二是通過化學方式，設法使氫和月壤中的氧化物反應，制造出水。

　　在尋找冰或水合礦物的方向上，一些國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，美國航天局發(fā)射了月球勘探者號，它攜帶的中子光譜儀在月球極區(qū)探測到大量氫富集的數(shù)據(jù)，只是無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)，最終確認極區(qū)的永久陰影區(qū)內(nèi)存在冰資源；2009年，美國航天局發(fā)射的月球環(huán)形山觀測與遙感衛(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軌道飛行器在近紅外波段觀測到水的吸收光譜，在紫外波段觀測到羥基的發(fā)射譜線。

　　然而，最具說服力的終極證據(jù)還得是在月壤中直接發(fā)現(xiàn)水。從早期美國阿波羅任務采集的月壤中，人們沒有發(fā)現(xiàn)任何含水礦物，一度讓科學界認為月球是干燥的荒漠。時隔半個世紀，2024年7月，我國科研人員通過單晶衍射和化學分析，從嫦娥五號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采。所以，通過化學反應制造水，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給方案。幾十年來，美國航天局和歐洲空間局均進行過研究嘗試，分別對鈦鐵礦、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，再從生成的水電解制氧。不過，這些方案中所用的氫均是外源性的，依然需要從地球運輸。而我國科研團隊此次的新發(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，世界各國科研機構提出了月球水資源原位獲取的多種實施方案。無論是提取現(xiàn)成的水分子還是化學合成，都需要高溫熱源。月面具有豐富的太陽能資源，各種方案均采用了凹面鏡或菲涅爾透鏡匯聚太陽光的方式，來實現(xiàn)這一熱源。在機械設備上，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，月球科研站的選址緯度會成為選擇采水技術的主要依據(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，冰資源相對豐富，可優(yōu)先發(fā)展冰資源提取的技術手段。在難以找到永久陰影區(qū)的中低緯度地區(qū)，陽光和太陽風更為強烈，則更適合發(fā)展月壤氫還原制水技術，以解決月面長期駐留的水資源補給需求。

　　月壤的原位開采、運輸和礦物富集是月面原位水資源獲取規(guī)�；瘧�用的重要基礎。而極區(qū)含冰月壤的高效鉆取及運輸，還有待進一步探索高效的技術方法和充分實驗。此外，鈦鐵礦作為月壤氫還原制水的主要原材料，其采礦分選技術難題尚需突破。

　　無論如何，安全可靠的技術方案必須經(jīng)過地面實驗和月球?qū)嶒灥某浞烛炞C。例如在這次鈦鐵礦制水的實驗中，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溫度，水的生成溫度可以降低400℃。但是在真實的月球環(huán)境中，電子輻照水平能否與地球上的模擬條件相同？還有沒有其他可能影響反應溫度的因素存在？只有去月球一趟，重現(xiàn)實驗結(jié)果才能放心。

　　對于新發(fā)現(xiàn)的月壤鈦鐵礦原位制水法，甚或稍顯過時的鈦鐵礦及外源性氫制水法，科學家期待能早日設計出驗證性樣機，并參與后續(xù)某期嫦娥探月任務甚至載人登月任務，以完成實地確認。至于利用月球冰資源制水的工作，目前我國的嫦娥七號探測器也已立項推進冰資源勘測與原位提取利用的實施方案。該探測器計劃前往月球南極，在永久陰影區(qū)開展冰資源鉆探科研活動。中國空間技術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計，現(xiàn)已分別進行了地面環(huán)境原理驗證和模擬月面低溫真空環(huán)境取水實驗，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)與埋藏深度等關鍵信息，還需要通過極區(qū)實地探測進一步確定。屆時，只有探測器能夠到達理想的冰資源“礦區(qū)”，才能繼續(xù)開采方案的驗證工作。

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

月球科研基地創(chuàng)意圖