近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）非晶合金磁电功能特性研究团队联合中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室和南京大学等科研团队在国际顶尖学术杂志《创新》（The Innovation 5(5): 100690）上发表了题为“月球钛铁矿与内源性氢反应产生大量水（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）”的研究文章。该文章通过研究嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，提出一种全新的基于高温氧化还原反应生产水的方法。此方法具有很高的实用性，有望为未来月球科研站及空间站的建设提供重要设计依据。
水是建设月球科研站及未来开展月球星际旅行，保障人类生存的关键资源。研究水在月球上的分布和演化，也可以帮助人类理解月球岩浆海洋演化、地幔挥发分含量、月球轰击历史以及太阳风和月球表面相互作用。因此，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。科学家之前主要关注月球上自然态水资源的分布情况。Apollo、Luna和嫦娥五号探月任务前期研究结果表明，在月球南极和北极以及常年阴影区可能存在自然态的冰。带回的月壤研究表明，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。但这些矿物中的含水量仅在0.0001%-0.02%之间，含量极其稀少，难以在月球原位提取利用。因此，研究探测新的月球水资源及其开采策略，无疑是未来探月工程的重点内容。
为此，宁波材料所王军强研究员带领团队与物理所、航天五院钱学森实验室和松山湖材料实验室合作，于2021年承担了首批嫦娥五号研究任务。经过3年的不懈努力，发现一种全新的在月球制备水的方法。经过3年的深入研究和反复验证，科研人员发现，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原反应，生成单质铁和大量水（见图1A）。当温度升高至1000℃以上，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。
经高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等多种实验技术分析，研究团队确认1 克月壤中大约可以产生51-76 毫克水（即5.1%-7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生约50-70千克水，相当于100多瓶500 毫升的瓶装水，基本可以满足50人一天的饮水量。
研究团队进一步研究了不同月球矿物中的氢含量区别。在五种月壤主要矿物（钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃）中，钛铁矿（FeTiO3）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、是月壤玻璃的10倍（见图1B）。电子显微镜下的原位加热实验也证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸汽气泡（见图1C-E），而其他含铁月壤矿物加热后生成了少量铁单质和气泡，地球上的同种矿物加热后则不会生成单质铁和气泡。这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。
图1 月壤加热过程中水和单质铁的形成过程以及各种主要矿物的含水量对比。A. 加热过程中月壤铁元素的价态变化；B.月壤中主要矿物的氢含量对比，插图为考虑矿物在月壤中含量的加权氢的总体含量；C.月壤钛铁矿加热后的透射电镜图；D和E为月壤钛铁矿加热过程中水气泡和单质铁的放大图，两者具有伴生关系。
为了阐明月壤钛铁矿为什么能够储存如此大量的氢，科研人员详细研究了月壤钛铁矿的原子结构，与地球上的钛铁矿相比，月壤钛铁矿原子间距由于氢的存在显著增大。计算模拟显示月壤钛铁矿中存在纳米微小孔道，这种纳米孔道可以吸附并储存大量来自太阳风氢原子。每个FeTiO3分子可以吸附4个H原子，是名符其实的月球“蓄水池”。
实验还发现，电子辐照可以降低氢与铁氧化物的反应温度，水的生成温度可以从800℃降低至200℃。这个结果可以解释前人发现的氢元素在月球上分布随着纬度的变化规律：赤道位置由于受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得其中的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。
基于以上研究结果，科研团队提出一种具有可行性的月球水资源原位开采与利用策略（见图2）：（1）首先通过凹面镜聚焦太阳光加热月壤至熔融。加热过程中，月壤将会与太阳风中注入的氢反应生成水、单质铁和陶瓷玻璃。（2）收集产生的水蒸气并在水箱中储存液体水，可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。（3）通过电分解水可以产生人类呼吸需要的氧气，以及可以作为能源使用的氢气。（4）铁可以用于制造永磁和软磁材料，为电力电子器件提供原材料。（5）熔融的月壤也可以用来制作具有榫卯结构的砖块，用于建造月球基地建筑。该策略将为未来月球科研站以及空间站建设提供重要的设计依据，并有望在后续的嫦娥探月任务中发射验证性设备以完成进一步确认。
图2 通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图
宁波材料所霍军涛研究员、王军强研究员和物理所白海洋研究员为通讯作者，宁波材料所博士生陈霄和杨世玉、陈国新博士、许巍副研究员为论文的共同第一作者，宁波材料所为第一完成单位与第一通讯单位。
这项工作同时也得到了《创新》审稿人的高度评价。在评审意见中，四位审稿人一致认为本工作发现的月壤制水新方法是“令人兴奋和鼓舞人心”的成果，具有重要意义。审稿人评价原文为：“This result is exciting and inspiring in the background of the long-term water exploration on the moon…” “It is crucial to investigate water resources for artificial lunar missions… This discovery holds significant importance and I recommend its publication”。
文章链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0