近日，中国科学院大学博士生导师、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员霍军涛和王军强团队通过研究嫦娥五号月壤矿物中的氢含量，提出一种基于高温氧化还原反应生产水的新方法。这一发现意味着什么？这一结果是否代表月球种菜这一想象离实现又近了一步？一起来看看答主的回答吧。
月壤已经可以制水，那距离在月球上种菜还有多远？
| 答主：黄河边儿
距离月球种菜这样一个工程问题，距离还较远，毕竟论文里的方法还有一些必要的科学问题没有弄清楚。
首先介绍下这个方法。
文章发现了一种从月壤中高效产水的方法，有多高效呢？
论文里说的是，1 吨月球土壤在熔化温度超过 1,200 K 后可以产生超过 50 公斤的水。
More than 50 kg of water can be produced from 1 ton of lunar regolith after melting at temperatures above 1,200 K.
这里说的月壤里的水，不是月壤里直接含有的水 H2O，而是氢与月球土壤（具体说是嫦娥五号月壤样本）中的铁氧化物，在化学反应后，生成的水。
中科院这次发现所采用的实验样本，是嫦娥五号的月壤样本，其采集位置在风暴洋吕姆克山以北地区天船基地，具体位置如下图。
嫦娥五号的着陆点，左图黄字，也是本次成果的样本采集区
这次成果的主要创新在于提出了利用月壤大量生产水的方法。
至于月壤里含有氢和氧原子，这个科学家已经通过诸多探测器和观测结果证实了，月表普遍存在 O 和 H，而且规律是：两极含量高、赤道含量低，极区甚至有水冰（这里简单提下嫦娥六号的采集，其样本呈现「粘稠，结块的表面特征」，所以大概率，嫦娥六号样本的研究可能揭示月球高纬度区域可能含有大量具有利用价值的水资源）。
月壤里的H的主要来源是太阳风以及月球以前的火山活动。
要知道月壤没有大气层，所以月球长期暴露在太阳风中，太阳风带有大量的带电粒子，包括质子（也就氢离子）。这些质子被月壤中的矿物捕获，特别是与铁氧化物形成了稳定的化学键，这就为今天的这项研究奠定了基础。
其实这个认识，很早就有，而且中国科学院宁波材料所还在自己网站上做过介绍，引用如下：
中国科学院地球化学研究所科研团队发现，嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水，根据估算，太阳风质子注入为嫦娥五号月壤贡献的水含量至少为 179ppm（浓度单位），相当于每吨月壤中至少含有 170 克的水。
当时估计的还是每吨月壤中至少含有 170 克的水。这是因为，当时地化所的研究关注的是月壤里的水分子，而这次的成果关注的是月壤中的 H 和 O，在化学反应后，对水的再造，所以，这一下就把一吨月壤中水的含量从 170 克提升到了 50 千克。
嫦娥五号的月壤样本
好了，下面介绍下这个技术。
月壤由多种矿物和氧化物组成，其中包括二氧化硅 SiO₂，铁氧化物 Fe₂O₃ FeO 等，氧化铝 Al₂O₃，氧化钙 CaO，氧化镁 MgO 等等。铁氧化物会和氢原子发生置换反映，化学反应方程式如下：
三氧化二铁 Fe₂O₃ 的还原反应：
氧化亚铁 FeO 的还原反应：
四氧化三铁的还原反应：
这些反应的共同特征是氢气作为还原剂，将月壤中的铁氧化物还原为单质铁，同时生成水 H2O。
上面这些反应需要高温，其来源如题所说来自于太阳能聚焦。这样的理论被中科院在嫦娥五号样本上做了验证，如下图（论文中的图 3）。
解释如下，下图 A 是 1173 K 下加热的钛铁矿样本的透射电子显微镜（TEM）图像。可以看到，样本中均匀分布着许多暗色颗粒（纳米晶体）。图 B 是图 A 中红色虚线框区域的放大图像。进一步确认了这些纳米晶体的存在及其周围的小气泡。图 C 和 D 对应于图 3A 和 3B 的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。这些图像进一步证实了纳米晶体（亮色区域）和气泡（暗色区域）的并存结构。
图 E 到 H 分别是图 B 和 D 中青色虚线框区域的放大 TEM 和 STEM 图像。黄色虚线曲线勾勒出 H2O 气泡的边界。图 E 是 TEM 图像显示了纳米晶体和气泡的结构。图 F 是 STEM 图像进一步确认了纳米晶体和气泡的存在。图 G 和 H 是更高分辨率的 TEM 和 STEM 图像，详细展示了纳米晶体和气泡的界面。
图 I 是图 3C 中蓝色虚线框区域的 EDS 映射图，确认这些纳米晶体由铁组成。图 J 和 K 是加热后钛铁矿样本不同位置的 STEM 图像和 EELS 光谱。
重点是图 K，EELS 光谱表明，在气泡附近检测到了一个约 8.5 eV 的峰，这表明存在 H2O，而 12.5 eV 的峰（对应 H2）消失了。
月壤造水实验结果
所以，嫦娥五的月壤样本实验表明：
月壤加热到 1173 K 时，钛铁矿中形成了大量的铁纳米晶体，每个纳米晶体旁边都有一个气泡。这些气泡被认为是 H2O 气泡。EDS映射图确认了这些纳米晶体是由铁组成的。EELS 光谱在气泡附近检测到了 H2O 的特征峰，这表明氢与铁氧化物反应生成了水。
好了，有了水以后，就可以用于月球种菜，还有电解制作氧气，供人类呼吸；同时置换出来的铁，也可以用作建筑和基地建造；同时月壤中还含有二氧化硅 SiO₂，它在熔融后，冷却过程中可以形成非晶质结构，即玻璃质相，也可以用于建筑使用。
到这里，这个是一个令人振奋的消息，毕竟如此大规模的造水对于人类在月球上建立基地的意义还是很大的。但是，作为一个初期研究，还应该看到造水问题中的不少的挑战，比如铁氧化物和氢元素含量如此高的月壤是普遍存在的，还是局部富集的，是否需要勘探寻找；另外，生成的水后续如何大量富集，如何规模分级净化，以用于饮用，灌溉等目的；还有，1173 K 的高温，如何通过太阳能安全可控的在月球上部署等等。
尤其是铁氧化物和氢元素含量如此高的月壤是普遍存在的，这个问题需要科学上进一步验证，毕竟目前看到的结果是，阿波罗任务的月壤，并没有这样高富集的铁氧化物和氢元素。在科学问题没有完全弄明白之前，月球种菜这样一个工程问题，可能还有比较远的路要走。
题图来源：答主@黄河边儿
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