月壤：发现氦-3

2020年，我国发射了第五枚月球探测器——嫦娥五号。这一次我们不仅要在月球正面登陆，而且还要把在月表上采集到的样品带回地球。最终，嫦娥五号成功带回了1.731公斤的月壤和月岩。

除了钛矿，月球上还有其他多种金属矿产，有些还是月球上独有的。在月球蕴藏的资源中，如果要说最为珍贵的当属氦-3，这是人类梦寐以求的完美能源物质。

随着不可再生的化石燃料不断消耗掉，人类需要寻找其他长久性的能量来源，其中最受大家关注的当属可靠核聚变，或者说“人造太阳”。太阳能够“燃烧”46亿年，并且未来还能继续“燃烧”50亿年，其秘密就在于它的内部不断进行氢核聚变。不过，氘-氚的核聚变反应并不是完美的，因为这种反应会产生中子辐射问题。如果用氦-3与氢的同位素进行核聚变，就不会产生任何核辐射，而且还能释放出更多的能量。只要100吨氦-3发生核聚变，就能产生足够全球人类用一年的能量。

但遗憾的是，氦-3在地球上的储量极少，估计总共只有500公斤。因为氦-3主要来自于太阳风，而地球磁场会偏转太阳风，所以氦-3到不了地球上。而月球没有磁场，太阳风可以直接吹到月球上，从而在月表留下大量的氦-3。据估计，月表浅层土壤中存在110万吨的氦-3。

在这项新研究中，我国科学家在嫦娥五号月壤中发现了钛铁矿颗粒，它们的表面附着一层玻璃状，其中含有大量的氦-3气泡。通过机械破碎方法，有望直接从月壤中直接提取出氦-3，只要常温就能做到，这大大降低了氦-3提取的难度。科学家估计，月球上的氦-3气泡储量高达26万吨。

嫦娥五号月壤研究新发现，有望实现常温下提取氦-3

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天五院钱学森实验室、中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队，对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究。发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。研究人员通过高分辨透射电镜结合电子能量损失谱法，在玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径大约为5～25nm，且大部分气泡都位于玻璃层与晶体的界面附近。而在颗粒内部晶体中，基本没有氦气泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中，之后在晶格的沟道扩散效应下，氦会逐渐释放出来。而表层玻璃具有原子无序堆积结构，限制了氦原子的释放，被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。

玻璃态材料特殊的无序原子堆积结构具有极高的稳定性，比如玻璃态琥珀可以将生物标本保存上亿年、氧化物玻璃可以将核废料储存上千年。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性，在月球上捕获并保存了丰富的氦-3资源。

工作表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-3，不需要加热至高温。而且，钛铁矿具有弱磁性，可以通过磁筛选与其他月壤颗粒分开，便于在月球上原位开采。通过进一步计算，研究人员发现气泡中的氦气原子的数密度达到50-192 He/nm3，具有极高的压力。根据月球上钛铁矿总量估算，以气泡形式储藏的氦-3总量或高达26万吨，如果全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。这些结果不但为月球上氦-3的富集机理提供了新的见解，也为未来月球氦-3的原位开采利用奠定了理论基础，对探寻月球资源的有效利用路径具有重要意义。

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