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。
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？
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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