8月22日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所、航天五院錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）在線發(fā)表了題為“月球鈦鐵礦與內(nèi)源性氫反應(yīng)產(chǎn)生大量水（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）”的研究文章。該成果通過(guò)研究嫦娥五號(hào)月壤不同礦物中的氫含量，提出一種全新的基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水的方法，將為未來(lái)月球科研站及空間站的建設(shè)提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

水是建設(shè)月球科研站及未來(lái)月球星際旅行，保障人類生存的關(guān)鍵資源。因此，探尋水資源是月球探測(cè)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)水的分布情況。Apollo、Luna和嫦娥五號(hào)探月任務(wù)前期研究結(jié)果表明在月球南極和北極，以及常年陰影區(qū)可能存在自然態(tài)的冰。帶回的月壤研究表明，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，含量極其稀少，難以在月球原位提取利用。因此，研究探測(cè)新的月球水資源及其開(kāi)采策略，無(wú)疑是未來(lái)探月工程的重點(diǎn)內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)3年的不懈努力，科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽(yáng)風(fēng)億萬(wàn)年的輻照儲(chǔ)存了大量氫。在加熱至高溫后，氫將與礦物中的鐵氧化物發(fā)生氧化還原發(fā)應(yīng)，生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1200K以上，月壤將會(huì)熔化，反應(yīng)生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來(lái)（見(jiàn)圖1A）。

經(jīng)高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價(jià)態(tài)、元素成分等多種實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)分析，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)1克月壤大約可以產(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100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人一天的飲水量。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了不同月球礦物的氫含量區(qū)別。在五種月壤主要礦物中，鈦鐵礦（FeTiO₃）含氫量最高，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倍，是月壤玻璃的10倍（見(jiàn)圖1B）。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)鐵和水蒸氣泡（見(jiàn)圖1C-E），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。

為了闡明月壤鈦鐵礦為什么能夠儲(chǔ)存如此大量的氫，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)月壤鈦鐵礦相比地球上的同種礦物存在明顯的晶格膨脹。結(jié)合第一性原理計(jì)算模擬，月壤鈦鐵礦由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，在晶格（4?11）方向存在亞納米孔道，這種納米孔道可以吸附并儲(chǔ)存大量來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)氫原子。當(dāng)每個(gè)FeTiO₃分子可以吸附4個(gè)氫原子時(shí)，模擬得到的晶格膨脹結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，原位電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度。在1.5-2 nA 和300 kV電子束的輻射下，水的生成溫度可以從873K以上降低至473K。這個(gè)結(jié)果可以解釋前人發(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(yáng)風(fēng)輻照最強(qiáng)，而太陽(yáng)風(fēng)中含有大量電子，使得其中的氫更多被還原成水蒸氣揮發(fā)出來(lái)；高緯度受太陽(yáng)風(fēng)電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。

基于以上研究結(jié)果，科研團(tuán)隊(duì)提出一種具有可行性的月球水資源原位開(kāi)采與利用策略（見(jiàn)圖2）：（1）首先通過(guò)凹面鏡或菲涅爾透鏡聚焦太陽(yáng)光加熱月壤至熔融。加熱過(guò)程中，月壤將會(huì)與太陽(yáng)風(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。（2）產(chǎn)生的水蒸氣被冷凝成水，并被收集儲(chǔ)存在水箱中，可以滿足月球上人類與各種動(dòng)植物的飲水需要。（3）通過(guò)電分解水可以產(chǎn)生氧氣和氫氣，氧氣可以供人類呼吸，氫氣可以作為能源使用。（4）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。（5）熔融的月壤也可以制作成具有榫卯結(jié)構(gòu)的陶瓷玻璃磚塊，用于建造月球基地建筑。該策略將為未來(lái)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)的嫦娥探月任務(wù)中發(fā)射驗(yàn)證性設(shè)備以完成進(jìn)一步確認(rèn)。

寧波材料所霍軍濤研究員、王軍強(qiáng)研究員和物理所白海洋研究員為通訊作者，寧波材料所博士生陳霄和楊世玉、陳國(guó)新博士、許巍副研究員為論文的共同第一作者，寧波材料所為第一完成單位與第一通訊單位。合作單位包括物理所、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、航天五院錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京大學(xué)等。

圖1 月壤加熱過(guò)程中水和單質(zhì)鐵的形成過(guò)程以及各種主要礦物的含水量對(duì)比。A. 加熱過(guò)程中月壤鐵元素的價(jià)態(tài)變化；B.月壤中主要礦物的氫含量對(duì)比，插圖為考慮礦物在月壤中含量的加權(quán)氫的總體含量；C.月壤鈦鐵礦加熱后的透射電鏡圖；D和E為月壤鈦鐵礦加熱過(guò)程中水氣泡和單質(zhì)鐵的放大圖，兩者具有伴生關(guān)系。