中國科學家在月壤中發(fā)現(xiàn)量產水的方法
2024-08-27 09:35:45
來源：中國青年報客戶端
分享到
月球上也能生產水？這不是科幻小說的情節(jié)，而是中國科學家通過研究嫦娥五號月壤不同礦物中的氫含量，提出的一種全新方法。該方法基于高溫氧化還原反應生產水，有望為未來月球科研站及空間站的建設提供重要設計依據(jù)。
北京時間8月22日，國際學術期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）刊發(fā)了這一重要研究成果的論文。4名審稿人在評審意見中認為該工作發(fā)現(xiàn)的月壤制水新方法是“令人興奮和鼓舞人心”的成果，具有重要意義。
通過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖。中國科學院寧波材料技術與工程研究所供圖
“水是建設月球科研站及未來開展月球星際旅行，保障人類生存的關鍵資源?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員霍軍濤說，探尋水資源是月球探測的首要任務之一。
之前，科學家主要關注月球上自然態(tài)水資源的分布情況。美國阿波羅號、蘇聯(lián)月球號和中國嫦娥五號探月任務前期研究結果表明，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。今年7月，來自中國科學院物理研究所的科研團隊首次在嫦娥五號帶回的月球樣本中發(fā)現(xiàn)分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式，為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。
“通過對嫦娥五號月壤研究表明，月壤玻璃、斜長石、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僅在0.0001%—0.02%之間，含量極其稀少，難以在月球原位提取利用?！被糗姖f，研究探測新的月球水資源及其開采策略，無疑是未來探月工程的重點內容。
從手套箱中取出嫦娥五號月壤樣品（從左到右依次為：許巍副研究員、博士生陳霄、王軍強研究員、霍軍濤研究員、陳國新博士）。中國科學院寧波材料技術與工程研究所供圖
經過3年的深入研究和反復驗證，科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽風億萬年的輻照，儲存了大量氫。論文通訊作者之一、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員王軍強告訴記者，在加熱至高溫后，氫將與礦物中的鐵氧化物發(fā)生氧化還原反應，生成單質鐵和大量水。當溫度升高至1000℃以上時，月壤將會熔化，反應生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。
據(jù)他介紹，經高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態(tài)、元素成分檢測等多種實驗技術分析，研究團隊確認1克月壤中大約可以產生51-76毫克水（即5.1%—7.6%）。以此計算，1噸月壤將可以產生約51千克—76千克水，相當于100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人一天的飲水量。
科研團隊進一步研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在5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，鈦鐵礦的含氫量大約是斜長石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。電子顯微鏡下的原位加熱實驗也證明，月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質鐵和水蒸氣氣泡，而其他含鐵月壤礦物加熱后生成了少量鐵單質和氣泡，地球上的同種礦物加熱后則不會生成單質鐵和氣泡。
“這進一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產生水的關鍵?！蓖踯姀娬f。
月壤鈦鐵礦為什么能夠儲存如此大量的氫？科研人員進一步研究了月壤鈦鐵礦的原子結構，他們發(fā)現(xiàn)，與地球上的鈦鐵礦相比，月壤鈦鐵礦原子間距由于氫的存在顯著增大。計算模擬顯示月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，這種納米孔道可以吸附并儲存大量來自太陽風的氫原子。每個鈦鐵礦分子可以吸附4個氫原子，是名副其實的月球“蓄水池”。
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（前左博士生陳霄、前右陳國新博士、后左許巍副研究員、后中霍軍濤研究員、后右王軍強研究員）。中國科學院寧波材料技術與工程研究所供圖
論文通訊作者之一、中國科學院物理研究所研究員白海洋告訴記者，實驗還發(fā)現(xiàn)，電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應溫度，水的生成溫度可以從600℃降低至200℃。這個結果可以解釋前人發(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風輻照最強，而太陽風中含有大量電子，使得其中的氫更多被還原成水蒸氣而揮發(fā)出來；高緯度受太陽風電子輻照影響較小，可以保留更多的氫。
基于以上研究結果，科研團隊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，月壤將會與太陽風中注入的氫反應生成水、單質鐵和陶瓷玻璃。
——產生的水蒸氣被冷凝成水，并被收集儲存在水箱中，可以滿足月球上人類與各種動植物的飲水需要。
——通過電分解水可以產生氧氣和氫氣，氧氣可以供人類呼吸，氫氣可以作為能源使用。
——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，也可以作為建筑材料。
——熔融的月壤也可以用來制作具有榫卯結構的磚塊，用于建造月球基地建筑。
“該策略將為未來月球科研站以及空間站建設提供重要的設計依據(jù)，并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務中發(fā)射驗證性設備以完成進一步確認?！卑缀Ｑ笳f。
該研究成果由中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊聯(lián)合中國科學院物理研究所、航天五院錢學森實驗室、松山湖材料實驗室、哈爾濱工業(yè)大學和南京大學等科研團隊完成。寧波材料所霍軍濤研究員、王軍強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。（記者邱晨輝）
責任編輯：薛景爍
返回頂部