月壤中的奇跡從塵埃到能源的轉(zhuǎn)變

古人認(rèn)為月亮上住著神仙，那里有著取之不盡用之不竭的寶貴資源。嫦娥奔月、玉兔搗藥、吳剛伐桂……這些傳說無不寄托了人們對(duì)月亮的美好向往。如今，這些美麗的傳說正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——嫦娥號(hào)探測(cè)器已經(jīng)先后6次飛抵月球。其中，嫦娥五號(hào)和六號(hào)，共帶回約3.7千克月球“土特產(chǎn)”——月壤。那么，科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)了哪些珍貴的資源呢？

清潔能源——氦-3

科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)的最重要的資源當(dāng)屬氦-3。

氦-3是元素周期表中第二個(gè)元素氦的一種同位素。它作為一種清潔核聚變能源，在能源、國(guó)防安全和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

作為一種可控核聚變?nèi)剂?，?3核聚變產(chǎn)生的能量是開采所需的250倍，是鈾-235裂變反應(yīng)的12.5倍，是煤炭的上百萬倍。100噸氦-3核聚變產(chǎn)生的能量即可供全球使用1年，且氦-3核聚變過程無中子二次輻射危險(xiǎn)，更加清潔和可控。

另外，氦-3是獲得極低溫環(huán)境的關(guān)鍵制冷劑，是超導(dǎo)、量子計(jì)算、拓?fù)浣^緣體等前沿研究領(lǐng)域必需的物質(zhì)。

然而，地球上氦-3儲(chǔ)量只有0.5噸左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)有需求。

到月球去找氦-3

研究表明，由于太陽風(fēng)輻照，月球土壤中儲(chǔ)存了大量的氦。之前有觀點(diǎn)認(rèn)為，氦原子被保存在晶體缺陷或固溶體（材料科學(xué)中的一個(gè)基本概念，例如鋼就是一種鐵和碳的固溶體）中，提取需要高溫和長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散，十分困難。

近期，中國(guó)科學(xué)家在月壤鈦鐵礦表面玻璃層中，發(fā)現(xiàn)了一種以氣泡形式儲(chǔ)存的氦-3資源。這一發(fā)現(xiàn)為月球氦-3的開采和利用開辟了新的前景。

以氣泡形式儲(chǔ)存的氦-3資源大約占全部氦-3資源的1/10～1/4，總量有10萬～26萬噸，核聚變產(chǎn)生的電能可以供全人類使用上千年。

與傳統(tǒng)提取方法相比，這種氣泡氦-3資源的提取更為直接和高效——可通過機(jī)械破碎的方法快速提取，因此具有極大開采價(jià)值。

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稀缺的水資源

月球上第二個(gè)重要的資源就是水。水是建設(shè)月球科研站及未來月球星際旅行、保障人類生存的關(guān)鍵資源。然而，美國(guó)阿波羅號(hào)、蘇聯(lián)月球號(hào)和中國(guó)嫦娥號(hào)探月任務(wù)前期研究結(jié)果都表明，月球由于處在高真空環(huán)境，沒有大氣層，表面水分幾乎全部揮發(fā)；只在月球南極和北極，以及常年陰影區(qū)可能存在自然態(tài)的冰。

科研人員對(duì)帶回的月壤進(jìn)行研究，結(jié)果表明，月壤玻璃、斜長(zhǎng)石、橄欖石和輝石等多種月壤礦物中含有少量水。但這些礦物中的含水量?jī)H在0.0001%～0.02%之間，難以在月球原位（直接在目標(biāo)天體上，利用其本土資源進(jìn)行物質(zhì)和能源的提取、加工和利用的過程，而無需從地球運(yùn)送大量的補(bǔ)給物資）提取利用。因此，研究探測(cè)新的月球水資源及其開采策略，一直是探月工程的首要任務(wù)。

用月壤生產(chǎn)水

近日，中國(guó)科學(xué)家提出了一種基于月壤含鐵礦物與內(nèi)源氫反應(yīng)，生產(chǎn)水的新策略，為未來月球科研站及空間站的建設(shè)，提供了一種全新的獲取水資源的方法。

由于太陽風(fēng)上億年的長(zhǎng)期輻照，月壤礦物中儲(chǔ)藏了大量氫?？蒲腥藛T分析了月壤中5種主要礦物（鈦鐵礦、斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石、玻璃）的氫含量后發(fā)現(xiàn)，鈦鐵礦（FeTiO3）由于具有特殊的亞納米孔道，其含氫量最高，每個(gè)礦物分子大約含有4～6個(gè)氫原子，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3.5～4倍，是月壤玻璃的10倍。

在加熱至高溫后，月壤鈦鐵礦中的氫與氧化亞鐵發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同步生成大量單質(zhì)鐵和水蒸氣氣泡。而其他礦物要么含氫很少，要么含鐵很少，無法生成鐵單質(zhì)和氣泡。地球上的鈦鐵礦由于不含氫，加熱后也不會(huì)生成單質(zhì)鐵和氣泡。這證明了月壤礦物中固溶的內(nèi)源氫以及鐵氧化物是產(chǎn)生水的關(guān)鍵。

雖然內(nèi)源氫與鐵礦石在高溫反應(yīng)產(chǎn)生了水蒸氣，但由于水蒸氣氣泡被束縛在礦物顆粒中，無法釋放出來?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將月壤加熱至熔化，發(fā)現(xiàn)水蒸氣逸出后，月壤重量減少了6.4%。同時(shí)，熔融月壤析出大量單質(zhì)鐵，磁性測(cè)量結(jié)果表明，1克月壤大約生成了157毫克的鐵。

根據(jù)氫與氧化鐵（或氧化亞鐵）反應(yīng)方程式估算，157毫克鐵可對(duì)應(yīng)產(chǎn)生51～76毫克水，即產(chǎn)水量占月壤重量的5.1%～7.6%左右，這與重量測(cè)量數(shù)據(jù)一致。據(jù)此估算，每噸月壤將可以產(chǎn)生約102～162瓶（每瓶500毫升）水，可以滿足50人一天的飲水需求。

在星辰大海的征途上，每一步探索都承載著人類對(duì)未知的渴望和對(duì)未來的憧憬。中國(guó)科學(xué)家的不懈努力，正逐步將月球變?yōu)槿祟愄剿饔钪娴挠忠恢匾脚_(tái)，開啟一個(gè)充滿無限可能的新篇章。

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）