从没有水，到“制造”水，他们在月壤中发现可大量生产水的方法

从千百年前的“举头望明月”开始，人们就已经开启了对月亮的无限想象。人们能够飞到月亮上一窥嫦娥的美貌吗？月球上是否有水能够让人们生存下去？如果没有可以直接使用的水，那要用什么方法生产大量的水？今天，中国科学家给出了答案——

中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）非晶合金磁电功能特性研究团队联合中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）等科研团队从我国嫦娥五号月壤研究中发现了一种全新的利用月壤大量生产水的方法，1吨月壤有望生产超50千克水，有望为未来月球科研站及空间站的建设提供重要设计依据。

8月22日，相关成果在线发表于国际学术期刊《创新》（TheInnovation）。

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。

然而，前期研究结果表明，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，但这些矿物的含水量仅在0.0001%-0.02%之间，极其稀少，难以在月球原位提取利用。

没有水，那就“制造”水！此次文章通过研究嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，提出一种全新的基于高温氧化还原反应生产水的方法。科研人员发现，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，研究团队确认1克月壤中大约可以产生51-76毫克水（即5.1%-7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约51-76千克水，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。

月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。科研团队进一步研究了不同月球矿物中的含氢量区别。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（FeTiO3）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。

月壤加热过程中水和单质铁的形成过程以及各种主要矿物的含水量对比。A.加热过程中月壤铁元素的价态变化；B.月壤中主要矿物的氢含量对比，插图为考虑矿物在月壤中含量的加权氢的总体含量；C.月壤钛铁矿加热后的透射电镜图；D和E为月壤钛铁矿加热过程中水气泡和单质铁的放大图，两者具有伴生关系。宁波材料所供图

为了阐明月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢，科研人员通过高分辨电子显微镜实验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（FeTiO3）可以吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。

实验还发现，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℃。这个结果可以解释前人发现的氢元素在月球上分布随着纬度的变化规律：赤道位置由于受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得其中的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。

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。

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。

其中，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。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。同时，熔融的月壤也可以制作成具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。

研究人员表示，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。

这项工作同时也得到了《创新》审稿人的高度评价。在评审意见中，四位审稿人一致认为本工作发现的月壤制水新方法是“令人兴奋和鼓舞人心”的成果，具有重要意义。