1噸月壤可產(chǎn)超50千克水 中國科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)水的方法

  來源:中國青年報(bào)邱晨輝2024-08-23
打印本文
核心提示:月球上也能生產(chǎn)水?這不是科幻小說里的情節(jié),而是中國科學(xué)家通過研究嫦娥五號(hào)月壤不同礦物中的氫含量,提出的一種全新方法。該方法基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水,有望為未來

月球上也能生產(chǎn)水?這不是科幻小說里的情節(jié),而是中國科學(xué)家通過研究嫦娥五號(hào)月壤不同礦物中的氫含量,提出的一種全新方法。該方法基于高溫氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水,有望為未來月球科研站及空間站的建設(shè)提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)。

北京時(shí)間8月22日,國際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》(The Innovation)刊發(fā)了這一重要研究成果的論文。4名審稿人在評(píng)審意見中認(rèn)為該工作發(fā)現(xiàn)的月壤制水新方法是“令人興奮和鼓舞人心”的成果,具有重要意義。

“水是建設(shè)月球科研站及未來開展月球星際旅行,保障人類生存的關(guān)鍵資源?!痹撜撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員霍軍濤說,探尋水資源是月球探測(cè)的首要任務(wù)之一。

此前,科學(xué)家主要關(guān)注月球上自然態(tài)水資源的分布情況。美國阿波羅號(hào)、蘇聯(lián)月球號(hào)和中國嫦娥五號(hào)探月任務(wù)前期研究結(jié)果表明,在月球南極和北極以及常年陰影區(qū)可能存在自然態(tài)的冰。今年7月,來自中國科學(xué)院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)首次在嫦娥五號(hào)帶回的月球樣本中發(fā)現(xiàn)分子水,揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)存在形式,為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。

“對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的研究表明,月壤玻璃、斜長石、橄欖石和輝石等多種月壤礦物中含有少量水。但這些礦物中的含水量僅在0.0001%-0.02%之間,含量極其稀少,難以在月球原位提取利用?!被糗姖f,研究探測(cè)新的月球水資源及其開采策略,無疑是未來探月工程的重點(diǎn)內(nèi)容。

經(jīng)過3年的深入研究和反復(fù)驗(yàn)證,科研人員發(fā)現(xiàn),月壤礦物由于太陽風(fēng)億萬年的輻照,儲(chǔ)存了大量的氫。該論文通訊作者之一、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員王軍強(qiáng)告訴記者,在加熱至高溫后,氫將與礦物中的鐵氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成單質(zhì)鐵和大量水。當(dāng)溫度升高至1000攝氏度以上時(shí),月壤將會(huì)熔化,反應(yīng)生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。他介紹,經(jīng)多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析,研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)1克月壤中大約可產(chǎn)生51毫克-76毫克水。以此計(jì)算,1噸月壤將可產(chǎn)生約51千克-76千克水,相當(dāng)于100多瓶500毫升的瓶裝水,基本可以滿足50人一天的飲水量。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了不同月球礦物中的含氫量區(qū)別。在5種月壤主要礦物——鈦鐵礦、斜長石、橄欖石、輝石、月壤玻璃中,鈦鐵礦含氫量最高。電子顯微鏡下的原位加熱實(shí)驗(yàn)也證明,月壤鈦鐵礦加熱后將同步生成大量單質(zhì)鐵和水蒸氣氣泡,而其他含鐵月壤礦物加熱后生成了少量鐵單質(zhì)和氣泡,地球上的同種礦物加熱后則不會(huì)生成單質(zhì)鐵和氣泡?!斑@進(jìn)一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產(chǎn)生水的關(guān)鍵?!蓖踯姀?qiáng)說。

月壤鈦鐵礦為什么能儲(chǔ)存如此大量的氫?科研人員進(jìn)一步研究了月壤鈦鐵礦的原子結(jié)構(gòu),他們發(fā)現(xiàn),與地球上的鈦鐵礦相比,月壤鈦鐵礦原子間距由于氫的存在顯著增大。計(jì)算模擬顯示月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道,這種納米孔道可吸附并儲(chǔ)存大量來自太陽風(fēng)的氫原子。每個(gè)鈦鐵礦分子可吸附4個(gè)氫原子,是名副其實(shí)的月球“蓄水池”。

該論文通訊作者之一、中國科學(xué)院物理研究所研究員白海洋告訴記者,實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),電子輻照可降低氫與鐵氧化物的反應(yīng)溫度,水的生成溫度可從600攝氏度降低至200攝氏度。此結(jié)果可解釋前人發(fā)現(xiàn)的氫元素在月球上分布隨緯度變化的規(guī)律:赤道位置由于受太陽風(fēng)輻照最強(qiáng),而太陽風(fēng)中含有大量電子,使得其中的氫更多被還原成水蒸氣而揮發(fā)出來;高緯度受太陽風(fēng)電子輻照影響較小,可保留更多的氫。

基于以上研究結(jié)果,科研團(tuán)隊(duì)提出一種具有可行性的月球水資源原位開采與利用策略:

——首先通過凹面鏡或菲涅爾透鏡聚焦太陽光加熱月壤至熔融。加熱過程中,月壤將會(huì)與太陽風(fēng)中注入的氫反應(yīng)生成水、單質(zhì)鐵和陶瓷玻璃。

——產(chǎn)生的水蒸氣被冷凝成水,并被收集儲(chǔ)存在水箱中,可滿足月球上人類與各種動(dòng)植物的飲水需要。

——通過電分解水可產(chǎn)生氧氣和氫氣,氧氣可供人類呼吸,氫氣可作為能源使用。

——鐵可用于制造永磁和軟磁材料,為電力電子器件提供原材料,也可作為建筑材料。

——熔融的月壤也可用來制作具有榫卯結(jié)構(gòu)的磚塊,用于建造月球基地建筑。

“該策略將為未來月球科研站以及空間站建設(shè)提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù),并有望在后續(xù)的嫦娥探月任務(wù)中發(fā)射驗(yàn)證性設(shè)備以完成進(jìn)一步確認(rèn)?!卑缀Q笳f。

(編輯:月兒)



1噸月壤可產(chǎn)超50千克水 中國科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)水的方法


 

免責(zé)聲明:

1、本網(wǎng)內(nèi)容凡注明"來源:315記者攝影家網(wǎng)"的所有文字、圖片和音視頻資料,版權(quán)均屬315記者攝影家網(wǎng)所有,轉(zhuǎn)載、下載須通知本網(wǎng)授權(quán),不得商用,在轉(zhuǎn)載時(shí)必須注明"稿件來源:315記者攝影家網(wǎng)",違者本網(wǎng)將依法追究責(zé)任。
2、本文系本網(wǎng)編輯轉(zhuǎn)載,轉(zhuǎn)載出于研究學(xué)習(xí)之目的,為北京正念正心國學(xué)文化研究院藝術(shù)學(xué)研究、宗教學(xué)研究、教育學(xué)研究、文學(xué)研究、新聞學(xué)與傳播學(xué)研究、考古學(xué)研究的研究員研究學(xué)習(xí),并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
3、如涉及作品、圖片等內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請(qǐng)作者看到后一周內(nèi)來電或來函聯(lián)系刪除。