我国揭秘：月球之水怎么“天上”来

1吨月壤有望制备至少51千克水！我国科学家团队日前在《立异》（TheInnovation）期刊上宣布了题为“月球钛铁矿与内源性氢反响发生很多水”的研讨论文，介绍了运用月壤制水的全新办法，并提出具有可行性的月球水资源原位挖掘战略。研讨人员以为，这一作用将为未来月球科研站与空间站的建造供给规划根据。

各国探月科学家为何都将水作为研讨要点？月球寻水终究难在哪里？制水技能的打破将给未来的深空勘探带来什么协助？

“满屏气泡”启示月壤制水新办法

2024年8月22日，我国科学院宁波资料技能与工程研讨所非晶合金磁电功用特性研讨团队联合我国科学院物理研讨所、航天五院钱学森试验室、松山湖资料试验室和南京大学等科研团队发布了一项研讨作用，介绍了一种新的月壤制水办法。

说起来，这个发现还有些戏剧性，月壤制水的新办法是科学家在研讨嫦娥五号月壤样品时发现的。据我国科学院宁波资料技能与工程研讨所的陈霄博士介绍，其时加热月壤中的钛铁矿本来是想看到氦的开释，作用没有看到氦的开释，却看到了满屏气泡的生成。随后，经过电子能量丢失谱验证，这些气泡的成分正是水蒸气。

钛铁矿是月壤中的常见矿藏，它与斜长石、辉石、橄榄石等其他3种矿藏占了月壳晶体物质的98%以上，这一特征也是判别“月壤”或“月球陨石”真伪的重要根据。每份钛铁矿由1份铁、1份钛和3份氧组成，如果在高温下遇到两份氢，就会发生氧化复原反响，氧把铁丢到一边，转而和氢结组成水，反响的终究产品是二氧化钛、水与单质铁。试验中，月壤在1000℃的高温下熔化，水以水蒸气的办法开释了出来，这便是研讨人员意外看到的“满屏气泡”。

已然反响的要害是钛铁矿遇到氢，那么月壤中的氢来自何方呢？科学家研讨月壤钛铁矿的原子结构发现，与地球上的钛铁矿比较，月壤钛铁矿的原子距离显着较大。核算模仿作用标明，月壤钛铁矿中存在纳米细小孔道，能够吸附并贮存很多来自太阳风的氢原子。每个钛铁矿分子能够吸附4个氢原子，如此一来，有氧有氢，便有望作用月球上的“小水库”。反观地球上的钛铁矿，则不会嵌入这么多氢，由于地球磁场和大气的维护作用，太阳风底子抵达不了地上。

研讨人员还进一步对比了不同月球矿藏中的含氢量，作用发现钛铁矿含氢量最高，其次是斜长石和月壤玻璃。钛铁矿的含氢量大约是斜长石的3.5倍、月壤玻璃的10倍。电子显微镜下的加热试验标明，和月壤钛铁矿同步生成的很多单质铁和水蒸气气泡不同，其他含铁月壤矿藏只发生了少数单质铁和气泡，而地球上的同种矿藏底子不会生成单质铁和气泡。这进一步证明了太阳风注入月壤矿藏中的氢是发生水的要害。

当然，研讨团队的发现并非全凭命运。如前所说，他们加热月壤时，本来期望看到氦的开释。可氦是气体，水蒸气也是气体，终究是什么让他们意识到“满屏气泡不是氦而是水蒸气”的呢？原因其实也很简单，之前研讨人员现已了解到，氦气泡的发生方位会集在钛铁矿颗粒的非晶质外表，而此次的气泡是从非晶质外表到晶质内部均匀出现的，二者大不同。因而，是科学知识的沉淀给了研讨人员一双敏锐的眼睛。

那么，运用这一办法，终究能够制备多少水呢？试验室数据显现，在1000℃的高温下，1克月壤能够发生51毫克到76毫克的水。如果有相同成分的1吨月壤，就能用它制备至少51千克的水，能够装进100多个常见的500毫升饮料瓶，满意一个人喝一个多月。

图说：我国科学家发现月壤制水新办法 来历：北京日报客户端（下同）

月球原位取水为何很重要

综上，想要在月球上制水，其反响所需的氢能够从月壤中获得，这也是我国科学家团队的论文标题“月球钛铁矿与内源性氢反响发生很多水”中“内源性”的由来。这3个字包括的信息量巨大，也是至关重要的好消息，由于这意味着一切的原资料都能在月球上找到，而不需求花费巨大价值从地球上运送曩昔。

为什么月壤制水的新发现令人欢天喜地呢？这和人类的长时间月球计划分不开。在人类进行月面驻留与科学活动的过程中，水、氧等生计物资是最根底的物质需求，也是展开月面科学试验与活动的必要条件。生计物资彻底依托地球补给的技能手段难以满意长时间驻月使命需求，所以有必要另辟蹊径——使用月球资源原位获取生计物资。

现在，我国已成功施行无人月球勘探阶段的“绕、落、回”三期工程。实际上，从更久远的“探、登、驻”三大步方针来看，“绕、落、回”仅仅完结了“探”这第一步。月球勘探作为深空勘探使命的前沿，已成为首要航天大国的首要方针，在月面树立永久寓居和科研的设备、展开长时间月面驻留和科学活动被视作远期方针。2016年，我国在与国外航天组织谈判时便开端建议共建国际月球科研站。而国际上出现的新一轮探月高潮，也呈现出“近地轨迹-地月系-火星的深空勘探”展开态势。

月球科研站的重要性在于它能够完结科学勘探、科学试验、空间技能试验、资源勘查与使用、深空勘探中转等各项使命。作为月面最重要的生计物资和原位科研出产的根底原资料，月球的水资源会逐步成为月球建站及长时间驻留的必备战略资源，一起也将是各国月球使命的首要方针。

简言之，月球水资源的原位获取技能不只可直接作为月球基地建造与长时间运转的必备技能，还有助于未来火星资源开发使用及载人火星勘探等严重使命的完结。

除此之外，月球水冰资源的勘探自身便是一项重要的科研课题，科学家期望凭借其提醒地球生命来源、地月体系构成与演化、月球岩浆海洋演化、地幔蒸发分含量、月球碰击前史，以及太阳风和月球外表相互作用等一系列严重科学问题的奥妙。

图说：嫦娥5号月壤样品

“加氢复原制水”渐成干流可行计划

在这次我国科学家发现新的月壤制水办法之前，关于月球的水研讨已在国际范围内展开多年，也获得了一些不俗的作用。现在，科学界关于月球原位取水首要构成了两种思路：一是找到现成水分子，就地提取，水分子可所以冰的办法，也可所以含水矿藏的办法；二是经过化学办法，设法使氢和月壤中的氧化物反响，制作出水。

在寻觅冰或水合矿藏的方向上，一些国家将目光投向月球南北极，那里存在较大面积的永久暗影区，长久的酷寒能够把丰厚的水分子以冰的办法捆绑在月壤中。1998年，美国航天局发射了月球勘探者号，它带着的中子光谱仪在月球极区勘探到很多氢富集的数据，仅仅无法确认是冰仍是矿藏中的结晶水或羟基（氢氧基）；2008年，印度发射的月船1号搭载的月球矿藏绘图仪在月球南北极发现了羟基或矿藏水，到了2018年，研讨人员又使用其光谱前史数据，终究承认极区的永久暗影区内存在冰资源；2009年，美国航天局发射的月球环形山观测与遥感卫星碰击了月球南极凯布斯环形山的永久暗影区，一起前往的月球勘察轨迹飞行器在近红外波段观测到水的吸收光谱，在紫外波段观测到羟基的发射谱线。

可是，最具说服力的终极依据还得是在月壤中直接发现水。从前期美国阿波罗使命收集的月壤中，人们没有发现任何含水矿藏，一度让科学界以为月球是枯燥的荒漠。时隔半个世纪，2024年7月，我国科研人员经过单晶衍射和化学分析，从嫦娥五号月壤样品的玄武岩中发现了一种富含水分子的新式矿藏晶体——六水氯化镁铵，水分子的质量占该矿藏总质量的41%。这是人类初次在月壤中直接发现水分子，并提醒了水分子和铵在月球上的实在存在办法。

月球的冰资源首要会集在极区，难以在全月面广泛挖掘。所以，经过化学反响制作水，特别是钛铁矿的加氢复原制水，逐步成为最具可行性和通用性的月面原位水补给计划。几十年来，美国航天局和欧洲空间局均进行过研讨测验，别离对钛铁矿、辉石、橄榄石样品、模仿月壤、玻璃质样品和月壤样品加氢复原制水，再从生成的水电解制氧。不过，这些计划中所用的氢均是外源性的，仍然需求从地球运送。而我国科研团队此次的新发现标明，氢自身就存在于月壤内部，即能够使用“内源性”氢，因而这一研讨作用确属极具革命性的严重打破。

月球水资源挖掘已提上日程

现在，根据已有的月球水资源勘探和制备研讨，国际各国科研组织提出了月球水资源原位获取的多种施行计划。无论是提取现成的水分子仍是化学组成，都需求高温热源。月面具有丰厚的太阳能资源，各种计划均选用了凹面镜或菲涅尔透镜会聚太阳光的办法，来完结这一热源。在机械设备上，还有密闭帐子、传送带式、钻杆式、旋耕式等多种月壤收集计划。

未来，月球科研站的选址纬度会成为挑选采水技能的首要根据。比方，在纬度较高的月球南北极区域，永久暗影区散布较广，冰资源相对丰厚，可优先展开冰资源提取的技能手段。在难以找到永久暗影区的中低纬度区域，阳光和太阳风更为激烈，则更适合展开月壤氢复原制水技能，以处理月面长时间驻留的水资源补给需求。

月壤的原位挖掘、运送和矿藏富集是月面原位水资源获取规模化使用的重要根底。而极区含冰月壤的高效钻取及运送，还有待进一步探究高效的技能办法和充沛试验。此外，钛铁矿作为月壤氢复原制水的首要原资料，其采矿分选技能难题需要打破。

无论如何，安全可靠的技能计划有必要经过地上试验和月球试验的充沛验证。例如在这次钛铁矿制水的试验中，研讨人员发现电子辐照能够下降氢与铁氧化物的反响温度，水的生成温度能够下降400℃。可是在实在的月球环境中，电子辐照水平能否与地球上的模仿条件相同？还有没有其他或许影响反响温度的要素存在？只要去月球一趟，重现试验作用才干定心。

关于新发现的月壤钛铁矿原位制水法，甚或稍显过期的钛铁矿及外源性氢制水法，科学家等待能提前规划出验证性样机，并参加后续某期嫦娥探月使命乃至载人登月使命，以完结实地承认。至于使用月球冰资源制水的作业，现在我国的嫦娥七号勘探器也已立项推动冰资源勘察与原位提取使用的施行计划。该勘探器计划前往月球南极，在永久暗影区展开冰资源钻探科研活动。我国空间技能研讨院提出的提取办法首要选用的是含冰月壤螺旋钻取与高倍聚光加热一体式规划，现已别离进行了地上环境原理验证和模仿月面低温真空环境取水试验，均获得了杰出作用。可是，月球南极冰资源的详细散布区域、存在状况与埋藏深度等要害信息，还需求经过极区实地勘探进一步确认。到时，只要勘探器能够抵达抱负的冰资源“矿区”，才干持续挖掘计划的验证作业。

总归，在月球上原位提取或制备水不只能够满意人类在月球上的长时间日子需求，还能为深空勘探使命供给巨大的便当。虽然现在还存在着许多技能和本钱方面的应战，但经过科学家的不懈努力与亲近的国际合作，信任种种困难都会有处理之法，并将不断获得新的打破。

图说：月球科研基地创目的