用月壤生产水

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划重点

01嫦娥五号与六号探测器共带回约3.7千克月球“土特产”——月壤,其中氦-3被认为是最重要的资源。

02氦-3是一种清洁核聚变能源,产生的能量是开采所需的250倍,具有极高价值。

03除此之外,月壤中还有稀缺的水资源,尽管含量极低,但仍是未来月球科研站及空间站建设的关键资源。

04中国科学家发现月壤钛铁矿表面玻璃层中储存有大量以气泡形式存在的氦-3资源,总量有10万~26万吨。

05为此,中国科学家提出了一种基于月壤含铁矿物与内源氢反应,生产水的新策略,为未来月球科研站及空间站的建设提供了一种全新的获取水资源的方法。

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古人认为月亮上住着神仙,那里有着取之不尽用之不竭的宝贵资源。嫦娥奔月、玉兔捣药、吴刚伐桂……这些传说无不寄托了人们对月亮的美好向往。


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月球(图源:《知识就是力量》杂志)


如今,这些美丽的传说正逐渐变为现实——嫦娥号探测器已经先后6次飞抵月球。其中,嫦娥五号和六号,共带回约3.7千克月球“土特产”——月壤。那么,科学家在月壤中发现了哪些珍贵的资源呢?


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清洁能源

—氦-3



科学家在月壤中发现的最重要的资源当属氦-3。氦-3是元素周期表中第二个元素氦的一种同位素。它作为一种清洁核聚变能源,在能源、国防安全和科学研究等领域具有重要应用价值。

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氦形式元素周期表(图源:千库网)


作为一种可控核聚变燃料,氦-3核聚变产生的能量是开采所需的250倍,是铀-235裂变反应的12.5倍,是煤炭的上百万倍。


100吨氦-3核聚变产生的能量即可供全球使用1年,且氦-3核聚变过程无中子二次辐射危险,更加清洁和可控。


另外,氦-3是获得极低温环境的关键制冷剂,是超导、量子计算、拓扑绝缘体等前沿研究领域必需的物质。然而,地球上氦-3储量只有0.5吨左右,远远无法满足现有需求。


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到月球去找氦-3



研究表明,由于太阳风辐照,月球土壤中储存了大量的氦。之前有观点认为,氦原子被保存在晶体缺陷或固溶体(材料科学中的一个基本概念,例如钢就是一种铁和碳的固溶体)中,提取需要高温和长时间扩散,十分困难。


近期,中国科学家在月壤钛铁矿表面玻璃层中,发现了一种以气泡形式储存的氦-3资源。这一发现为月球氦-3的开采和利用开辟了新的前景。


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钛铁矿表面玻璃层捕获并保存了大量氦-3气泡

(图源:《知识就是力量》杂志)


以气泡形式储存的氦-3资源大约占全部氦-3资源的1/10~1/4,总量有10万~26万吨,核聚变产生的电能可以供全人类使用上千年。


与传统提取方法相比,这种气泡氦-3资源的提取更为直接和高效——可通过机械破碎的方法快速提取,因此具有极大开采价值。


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稀缺的水资源



月球上第二个重要的资源就是水。水是建设月球科研站及未来月球星际旅行、保障人类生存的关键资源。


然而,美国阿波罗号、苏联月球号和中国嫦娥号探月任务前期研究结果都表明,月球由于处在高真空环境,没有大气层,表面水分几乎全部挥发;只在月球南极和北极,以及常年阴影区可能存在自然态的冰。


科研人员对带回的月壤进行研究,结果表明,月壤玻璃、斜长石、橄榄石和辉石等多种月壤矿物中含有少量水。

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嫦娥五号带回的月壤照片,背景为月壤矿物颗粒的光学显微镜照片(图源:《知识就是力量》杂志)


但这些矿物中的含水量仅在0.0001%~0.02%之间,难以在月球原位(直接在目标天体上,利用其本土资源进行物质和能源的提取、加工和利用的过程,而无需从地球运送大量的补给物资)提取利用。因此,研究探测新的月球水资源及其开采策略,一直是探月工程的首要任务。


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用月壤生产水



近日,中国科学家提出了一种基于月壤含铁矿物与内源氢反应,生产水的新策略,为未来月球科研站及空间站的建设,提供了一种全新的获取水资源的方法。


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中国科学家提出的在月球原位生产水的策略示意图(图源:《知识就是力量》杂志)


由于太阳风上亿年的长期辐照,月壤矿物中储藏了大量氢。科研人员分析了月壤中5种主要矿物(钛铁矿、斜长石、辉石、橄榄石、玻璃)的氢含量后发现,钛铁矿(FeTiO3)由于具有特殊的亚纳米孔道,其含氢量最高,每个矿物分子大约含有4~6个氢原子,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3.5~4倍,是月壤玻璃的10倍。


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一颗酷似康乃馨的月壤钛铁矿颗粒:绿色部分为钛铁矿,红色部分为胶结质玻璃物质(图源:《知识就是力量》杂志)


在加热至高温后,月壤钛铁矿中的氢与氧化亚铁发生氧化还原反应,同步生成大量单质铁和水蒸气气泡。而其他矿物要么含氢很少,要么含铁很少,无法生成铁单质和气泡。


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月壤在加热过程中,水蒸气气泡和单质铁的同时形成过程。(图源:《知识就是力量》杂志)


地球上的钛铁矿由于不含氢,加热后也不会生成单质铁和气泡。这证明了月壤矿物中固溶的内源氢以及铁氧化物是产生水的关键。


虽然内源氢与铁矿石在高温反应产生了水蒸气,但由于水蒸气气泡被束缚在矿物颗粒中,无法释放出来。科研团队将月壤加热至熔化,发现水蒸气逸出后,月壤重量减少了6.4%。同时,熔融月壤析出大量单质铁,磁性测量结果表明,1克月壤大约生成了157毫克的铁。


根据氢与氧化铁(或氧化亚铁)反应方程式估算,157毫克铁可对应产生51~76毫克水,即产水量占月壤重量的5.1%~7.6%左右,这与重量测量数据一致。据此估算,每吨月壤将可以产生约102~162瓶(每瓶500毫升)水,可以满足50人一天的饮水需求。


在星辰大海的征途上,每一步探索都承载着人类对未知的渴望和对未来的憧憬。中国科学家的不懈努力,正逐步将月球变为人类探索宇宙的又一重要平台,开启一个充满无限可能的新篇章。




撰文 | 王军强

责任编辑 | 高琳、段阳阳

运营编辑 | 段阳阳

质量审核 | 业蕾


❖  文章来源:《知识就是力量》杂志

月壤中的奇迹 从尘埃到能源的转变》 ❖




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