一吨月壤生产50千克水？我国探月重大发现，月球基地规划或加强设计

作者：房广林 科普视频创作者

嫦娥五号带回的月壤又有了新发现。2024年8月，中国科学院科研团队经过三年的深入研究和反复验证，给出了一种具有可行性的月球水资源原位开采和利用的策略，是一种全新的利用月壤生产大量水的方法。并在国际学术期刊《创新》发表了题为《月球钛铁矿与内源性氢反应产生大量水》的研究文章。该文章通过研究嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，创新的提出了一种基于高温氧化还原反应生产水的方法，通过换算能够让1吨月壤将可以产生约51-76千克水，有望为未来月球科研站的建设提供重要设计依据。

想要在月球建设科研站及未来开展月球星际旅行，水是首要保障人类生存的关键资源之一，以后月球基地建好了，想要长期驻留进行月球探测和开采资源，探寻水资源就成了月球探测的首要任务。世界各国探月工程的首要任务也几乎都是围绕这一关键主题，来开展水资源在月球上分布情况的探究。之前的研究结果表明，在月球南极和北极，尤其是靠近南极点的一些又大又深的陨石坑内都有着永久阴影区，有很大可能存在自然态的冰，尽管相比月球赤道地区和非两极地区，在月球南北极着陆要困难多。但目前有能力探月的国家都扎堆去月球南极。不管是现在日本、印度、美国的无人（月球）探测器，我国的嫦娥六号月球背面南极地区采样返回，还是未来我国的载人登月和月球基地，目标定位都在月球南级地区，就是要冲着找水去的。

我国科研人员通过对嫦娥五号带回的月壤研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄石和辉石等多种月壤矿物中都含有少量的水，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和利用。但是在对月壤中钛铁矿的加热中却得到了出人意料的结果。起初科研人员加热钛铁矿，是想要看到氦的释放，结果没有看到氦的释放，而是看到了满屏气泡的生成，感到非常惊讶。

通过电子显微镜下的原位加热实验显示出，月壤钛铁矿加热后同步生成了大量单质铁和水蒸气气泡，其它含铁月壤矿物加热后生成了少量单质铁和气泡，而在对地球上的同种矿物加热则不会生成单质铁和气泡。

你看看， 这月壤的特殊性就显现出来了，毕竟是另外一个天体上的东西。这一结果表明月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。

那么要怎样来验证这个泡泡就是水蒸气的气泡呢？

科研人员做了电子能量损失谱，在8个多电子伏特的时候，这有一个明显的峰，就是水的信号，说明这个位置生成的确实是水。

经过深入研究发现，月壤矿物中储存了大量的氢。在加热至高温后，氢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，月壤会熔化，反应生成的水就会以蒸气的形式释放出来，在冷凝就得到水了。 有方法能够得到水，这么重中之重的资源能够在其他天体上得到，那对后续的开发和探测有了重要资源的保障。

经过多种实验技术分析，研究团队确认，1克月壤中大约可以产生51-76毫克水。这个比例相当可观啊！可能在地球上看着不起眼，但在月球上以此计算，1吨月壤就将产生约51-76千克水，咱拿500ml瓶装水算就是100多瓶，基本可以满足50人一天的饮水量。 虽然短时间内月球基地不可能一次驻留超过多人，这种量级的产水量，除了能够保障日常生活，太空种植和其他活动都绰绰有余了。当然目前还存在在实验室阶段，离月球上实用还有段时间，但是距离2030年前我国实现载人登月，到后续能够长期驻留月球基地，还有至少10年时间，到时候相关的生产设备被运上月球，只是时间问题了。 能否就地取材真正的发现月球上的直接存在的冰并加以利用还有很多变数，如果利用月壤资源生产制备出水必须是重要要研究的方向。双管齐下，事半功倍。

这张图是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含水量的对比。（配图）

那么这些氢究竟是从哪里来的呢？

从根本上说其实是太阳送过来的，因为太阳喷射出来的太阳风里面就含有大量的氢离子，这些氢离子飞行的速度非常快，每秒可达600~1000公里以上，这些氢离子在与月壤接触的过程中逐渐嵌入到月壤颗粒中，尤其是表层的矿物质里。经过数十亿年的积累，使得月壤成为了潜在的“氢库”。这天然的氢能资源必须得利用起来了啊！ 通过加热月壤样本到合适的温度，就可以使这些氢元素从矿物结构中释放出来。经计算模拟显示，月壤钛铁矿中存在着纳米微小孔道，可以吸附并储存大量来自太阳风的氢原子。每个钛铁矿分子可以吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。

那通过什么有效的装备可以把水提炼出来呢？

基于这些研究，科研团队提出了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，产生的水蒸气冷凝成水，收集存储在水箱中，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。铁用于制造永磁和软磁材料，为电力电子器件提供原材料或用作建筑材料。熔融的月壤也可以用来制作具有榫卯结构的陶瓷玻璃砖块，用于建造月球基地的建筑材料。生产出来的产物是什么也不浪费哈，中国航天真的是勤俭持家啊！

专家表示，该策略将为我国未来月球科研站的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。

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而变化的规律。由于赤道位置受太阳风辐照最强，太阳风中含有的大量电子，使其中的氢更多的被还原成水蒸气挥发出来。而纬度较高的地方受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。

此次的重大发现也会直接影响到后续的一系列任务设计。水是生命之源，有水，就有一切的可能；人类之后的探索和试验，就有了方向，比如进行作物种植培育或为建立月球基地设计循环系统。

说到这里，大家可能会问，那么是不是就说明在月球上真的可以种植蔬菜了呢？

此前就有专家进行过分析，由于月球现在没有大气层，属于是微真空环境，这种情况下，植物肯定是没有办法生长的。不过既然发现了从月壤中取水的方法，如果是未来进行温室大棚的建造，只要里面有足够的空气和水，利用月壤种植多种作物也应该是没有问题的。

总之，这个发现，属于一次世界范围内，真真实实有样本有数据的地外水发现！也就是说，月球虽然看上去一片孤寂，但是绝对隐藏了太多的秘密了，我们也正在逐步的揭开。

2020年，嫦娥五号进行了月球正面的月壤采集和返回任务，实现了“绕落回”一气呵成。随后科研人员一直在不断对带回的样本进行揭秘，虽然样本重量只有1731克，但已经产生了足够多的研究成果。我们不止是拥有嫦娥五号从月球正面带回的月壤，也有2024年嫦娥六号从月球背面南极艾特肯盆地采集带回的月壤样本，通过后续的研究肯定陆续还会有更多新的发现。未来还有嫦娥七号，也是要去到月球南极，除了继续开展月球南极区域的环境探测任务之外，其中的一个重点目标就是要寻找可能存在的水冰物质。随着2024年6月14号，就是前段时间，我国自主研制用于载人登月任务的长征十号系列火箭，成功完成了一子级火箭动力系统试车，未来大推力的火箭，也将迎来首飞，距离中国人踏上月球的脚步越来越近了！

这样一次又一次的探月任务的接力，都是为了我们乃至人类能够最终实现建造月球科研基地等一系列月球开发的宏伟目标和更深远的深空探测打下基础。随着航天科技的发展，也会有更多的科技成果进入到生活中。中国航天，永远值得期待！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：房广林 科普视频创作者

审核：王军强 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司