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月球上也能生產(chǎn)水？這不是科幻小說里的情節(jié)，而是中國科學(xué)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(yīng)生產(chǎn)水，有望為未來月球科研站及空間站的建設(shè)提供重要設(shè)計依據(jù)。
北京時間8月22日，國際學(xué)術(shù)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(rèn)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。
“水是建設(shè)月球科研站及未來開展月球星際旅行，保障人類生存的關(guān)鍵資源�！痹撜撐耐ㄓ嵶髡咧�、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(wù)之一。
此前，科學(xué)家主要關(guān)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(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。今年7月，來自中國科學(xué)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。
“對嫦娥五號月壤的研究表明，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(nèi)容。
經(jīng)過3年的深入研究和反復(fù)驗證，科研人員發(fā)現(xiàn)，月壤礦物由于太陽風(fēng)億萬年的輻照，儲存了大量的氫。該論文通訊作者之一、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(yīng)，生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1000攝氏度以上時，月壤將會熔化，反應(yīng)生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。他介紹，經(jīng)多種實驗技術(shù)分析，研究團隊確認(rèn)1克月壤中大約可產(chǎn)生51毫克-76毫克水。以此計算，1噸月壤將可產(chǎn)生約51千克-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。
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。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(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生成單質(zhì)鐵和氣泡�！斑@進一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵�！蓖踯姀娬f。
月壤鈦鐵礦為什么能儲存如此大量的氫？科研人員進一步研究了月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu)，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，這種納米孔道可吸附并儲存大量來自太陽風(fēng)的氫原子。每個鈦鐵礦分子可吸附4個氫原子，是名副其實的月球“蓄水池”。
該論文通訊作者之一、中國科學(xué)院物理研究所研究員白海洋告訴記者，實驗還發(fā)現(xiàn)，電子輻照可降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度，水的生成溫度可從600攝氏度降低至200攝氏度。此結(jié)果可解釋前人發(fā)現(xiàn)的氫元素在月球上分布隨緯度變化的規(guī)律：赤道位置由于受太陽風(fēng)輻照最強，而太陽風(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；高緯度受太陽風(fēng)電子輻照影響較小，可保留更多的氫。
基于以上研究結(jié)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(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。
——產(chǎn)生的水蒸氣被冷凝成水，并被收集儲存在水箱中，可滿足月球上人類與各種動植物的飲水需要。
——通過電分解水可產(chǎn)生氧氣和氫氣，氧氣可供人類呼吸，氫氣可作為能源使用。
——鐵可用于制造永磁和軟磁材料，為電力電子器件提供原材料，也可作為建筑材料。
——熔融的月壤也可用來制作具有榫卯結(jié)構(gòu)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(shè)提供重要的設(shè)計依據(jù)，并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務(wù)中發(fā)射驗證性設(shè)備以完成進一步確認(rèn)�！卑缀Ｑ笳f。
本報北京8月22日電 中青報·中青網(wǎng)記者 邱晨輝 來源：中國青年報 | 
