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)室和南京大學(xué)等的科研團(tuán)隊(duì)，在《創(chuàng)新》（The Innovation）上發(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》（Producing substantial amount of water through reaction of lunar ilmenite and endogenous hydrogen）的研究論文。該研究通過(guò)探討嫦娥五號(hào)月壤不同礦物中的氫含量，提出了全新的基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水的方法。

水是建設(shè)月球科研站以及未來(lái)開展月球星際旅行的關(guān)鍵資源。研究水在月球上的分布和演化，可以幫助人類探究月球巖漿海洋演化、地幔揮發(fā)分含量、月球轟擊歷史以及太陽(yáng)風(fēng)和月球表面相互作用。因此，探尋水資源是月球探測(cè)的首要任務(wù)之一。此前，科學(xué)家聚焦于月球上自然態(tài)水資源的分布情況。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。對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的研究表明，月壤玻璃、斜長(zhǎng)石、橄欖樹和輝石等月壤礦物中含有少量水。而這些礦物中的含水量?jī)H在0.0001%至0.02%之間即含量稀少，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采策略，是未來(lái)探月工程的重點(diǎn)內(nèi)容。

2021年，該合作團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了嫦娥五號(hào)月壤首批研究任務(wù)。經(jīng)過(guò)3年的深入研究和反復(fù)驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了全新的在月球制備水的方法。研究顯示，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)生氧化還原反應(yīng)，生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1000℃以上時(shí)，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)。

通過(guò)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)、元素成分檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析，該團(tuán)隊(duì)確認(rèn)1克月壤中約可以產(chǎn)生51毫克至76毫克水即5.1%至7.6%。以此計(jì)算，1噸月壤將可以產(chǎn)生約51千克至76千克水，相當(dāng)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。

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在五種月壤主要礦物即鈦鐵礦、斜長(zhǎng)石、橄欖石、輝石、月壤玻璃中，鈦鐵礦（FeTiO₃）含氫量最高，其次是斜長(zhǎng)石和月壤玻璃，鈦鐵礦的含氫量約是斜長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)證明，月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質(zhì)鐵和水蒸氣氣泡，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。

為闡明月壤鈦鐵礦為何能夠儲(chǔ)存如此大量的氫，科研人員研究月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)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而顯著增大。計(jì)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(chǔ)存大量來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的氫原子。每個(gè)鈦鐵礦分子（FeTiO₃）可以吸附4個(gè)氫原子，是月球的“蓄水池”。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子輻照可以降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度，水的生成溫度可以從600℃降低至200℃。這可以解釋前人發(fā)現(xiàn)的氫元素在月球上分布隨著緯度的變化規(guī)律。也就是說(shuō)，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而揮發(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。

基于上述成果，該團(tuán)隊(duì)提出了具有可行性的月球水資源原位開采與利用策略，即通過(guò)凹面鏡聚焦太陽(yáng)光加熱月壤至熔融。這一策略將為未來(lái)月球科研站及空間站建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，可在后續(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)。

寧波材料所為第一完成單位與第一通訊單位。

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

通過(guò)加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖