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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，探尋水資源是月球探測的首要任務(wù)之一。科學(xué)家之前主要關(guān)注月球上自然態(tài)水資源的分布情況，前期研究結(jié)果表明，月壤玻璃等多種礦物中含有少量水，但含水量僅在0.0001%-0.02%之間，難以在月球原位提取利用。

2021年，作為浙江省唯一一個(gè)拿到嫦娥5號(hào)月壤的科研單位，寧波材料所也開始尋找月壤中水的蹤跡。但和同行一樣，他們并沒有太多發(fā)現(xiàn)。直到2022年3月，科研人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，月壤經(jīng)加熱后會(huì)產(chǎn)生少量的水蒸氣，這讓大家頗為興奮。

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。

“水由氫和氧構(gòu)成，月球上氧化物不少，太陽風(fēng)中又有氫，水的生成，是否意味著月球礦物中本身有大量的氫存在？”寧波材料所王軍強(qiáng)研究員向記者解釋道。

經(jīng)電子能量損失譜等多種先進(jìn)技術(shù)手段分析，科研人員發(fā)現(xiàn)，在五種月壤主要礦物（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。電子顯微鏡下的原位加熱實(shí)驗(yàn)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(huì)生成單質(zhì)鐵和氣泡。這進(jìn)一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵。

月壤加熱過程中水和單質(zhì)鐵的形成過程以及各種主要礦物的含水量對(duì)比。

月壤鈦鐵礦為什么能夠儲(chǔ)存如此多的氫？“計(jì)算模擬顯示，月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，像海綿一樣，這種納米孔道可吸附并儲(chǔ)存大量來自太陽風(fēng)的氫原子。”王軍強(qiáng)介紹，每個(gè)鈦鐵礦分子可吸附4個(gè)氫原子，是名副其實(shí)的月球“蓄水池”。

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)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(jì)算，1噸月壤將可以產(chǎn)生約51-76千克水，相當(dāng)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。

實(shí)驗(yàn)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(fēng)輻照最強(qiáng)，而太陽風(fēng)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(fēng)電子輻照影響較小，可保留更多的氫。

通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖。

基于相關(guān)研究，科研團(tuán)隊(duì)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(huì)與太陽風(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃?！八魵獗焕淠伤?，可以滿足月球上人類與各種動(dòng)植物的飲水需要。而生成的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，也可以用作建筑材料。”王軍強(qiáng)介紹。

記者了解到，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(jì)依據(jù)，并有望在后續(xù)嫦娥探月任務(wù)中發(fā)射驗(yàn)證性設(shè)備以完成進(jìn)一步確認(rèn)。