宁波材料所发现在月球大量制水的方法：1吨月壤里一百多瓶水

科学家从手套箱中取出嫦娥五号月壤样品。从左到右依次为：许巍副研究员、博士生陈霄、王军强研究员、霍军涛研究员、陈国新博士

中国科学家提出一种新的在月球上获取大量水的方法，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。

北京时间8月22日下午，相关论文在国际学术期刊《创新》（The Innovation）上在线发表。其标题是题为《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）。

该研究由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、哈尔滨工业大学和南京大学等科研团队完成。

前述论文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。

经高分辨电子显微镜、电子能量损失谱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51-76千克水，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。

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。

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。

当加热高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。

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的氢原子。每个钛铁矿分子（FeTiO3）可以吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。

研究人员通过实验还发现，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600℃降低至200℃。

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。

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：（1）首先通过凹面镜或菲涅尔透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）产生的水蒸气被冷凝成水，并被收集储存在水箱中，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氧气和氢气，氧气可以供人类呼吸，氢气可以作为能源使用。（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，也可以用作建筑材料。（5）熔融的月壤也可以制作成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。

示意图：通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略。

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前述研究论文的通讯作者，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。

论文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0