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。之前不管是远程遥感光谱的观测结果，亦或是针对Apollo、Luna以及嫦娥五号月壤的分析表征，都发现月壤中存在少量水。
但这些矿物中的含水量仅在0.0001%-0.02%之间，含量极其稀少，想要在月球原位提取利用及其困难。因此找到一种在月球能够大量原位开采水的方法迫在眉睫。
我们发现由于太阳风的长期辐照，月壤钛铁矿捕获并储藏了大量氢元素，这是月球水的潜在来源。由此我们提出一种变革性且可实用化的，在月球大量生产水的方法，这为未来月球科研站的建立提供了重要的设计依据。水是保障人类生存的关键资源。
同时研究月球水的起源和分布有助于探明月球演化历史和太阳系起源等科学问题。已有研究已确认月壤矿物中存在少量水，但这些矿物中的含水量仅在0.0001%-0.02%之间，无法实现在月球的原位提取与利用。近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员等基于对嫦娥五号月壤的深入研究，提出一种变革性的在月球原位开采大量水的新方法。
图1 图文摘要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，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员带领团队与中国科学院物理研究所所、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室、哈尔滨工业大学、南京大学和松山湖材料实验室合作，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发应，生成单质铁和大量水。
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。
图2 高温下钛铁矿与氢反应同时生成水蒸气气泡和铁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吨月壤将可以产生超过50 kg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。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，这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。
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600℃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：（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3 月球水资源原位开采与利用策略总结与展望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。
我们提出的变革性的、在月球原位开采大量水的方法，为未来月球科研站的建设提供重要的设计依据，也有望在后续的探月任务中完成进一步验证。
Video 2 文章解读 DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100690引用格式：Chen X., Yang S., Chen G., et al. (2024). Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen. The Innovation 5(5), 100690.