嫦娥五号月壤研究成果

嫦娥五号月壤新发现，有望实现常温下提取氦-3

据中科院宁波材料技术与工程研究所网站6月10日消息，月球为何富含战略资源氦-3？氦-3以什么形式储存在月球上？如何就地开采氦-3？最近发现，月球土壤玻璃在捕获和保存氦-3气体方面起着关键作用。

氦-3作为氦(元素周期表中的第二元素)的同位素，在能源和科学研究领域具有重要的应用价值。例如，作为可控核聚变的一种燃料，氦-3核聚变产生的能量是采矿所需能量的250倍，是铀-235核裂变反应的12.5倍(约20)。100吨氦-3核聚变产生的能量可以供应全球一年，氦-3核聚变过程更加清洁可控，没有中子二次辐射的危险。此外，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的必备材料。而地球上的氦元素主要是氦-4，氦-3的储量只有0.5吨左右，远远不能满足现有需求。

氦-3是太阳风的重要成分，月球因为常年受到太阳风的照射，储存了大量的氦-3。但是为什么月球富含战略资源氦-3呢？氦-3以什么形式储存在月球上？这些问题没有明确的答案。探索月球资源，特别是氦-3的含量、分布和开采，已成为国际深空空探测的必然趋势和主要任务。因此，自20世纪末以来，世界各地掀起了新一轮的月球“淘金热”，将探月工程和科学研究推向了新的高潮。但如何原位高效开采氦-3仍是一个科技难题。之前的研究认为氦-3溶解在月球土壤颗粒中，氦-3的提取受到扩散速率的限制，需要700℃以上的高温，不仅耗能高，而且速度慢，不利于月球原位开采。因此，搞清楚氦-3在月球土壤中的存储形式，对于了解月球如何捕获氦-3，以及未来如何开发利用氦-3资源非常重要。

嫦娥五号采集的月球样本(月壤)

近日，由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组成的联合团队，对嫦娥五号月球土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有一层无定形玻璃。研究人员借助高分辨率透射电镜和电子能量损失谱，在玻璃层中观测到大量氦泡，直径约为5 ~ 25 nm，且大部分位于玻璃层与晶体的界面附近。但是粒子内部的晶体中基本没有氦泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子首先被太阳风注入钛铁矿晶格中，然后在晶格的通道扩散作用下氦会逐渐释放出来。然而，表面玻璃具有无序的原子堆积结构，限制了氦原子的释放，氦原子被捕获并逐渐储存，形成气泡。

玻璃材料特殊的无序原子堆积结构具有很高的稳定性。比如玻璃琥珀可以保存生物标本上亿年，氧化物玻璃可以保存核废料几千年。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性，捕获并保存了月球上丰富的氦-3资源。

工作表明有望通过机械粉碎的方法提取室温下以气泡形式储存的氦-3，而不需要加热到高温。而且钛铁矿磁性较弱，可以通过磁筛将与其他月球土壤颗粒分离，便于月球原位开采。通过进一步计算，研究人员发现气泡中氦原子的数密度达到50-192 He/nm3，压力极高。根据月球上钛铁矿的总量，以气泡形式储存的氦-3总量可能高达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。这些结果不仅为氦-3在月球上的富集机制提供了新的见解，也为未来在月球上原位开发利用氦-3奠定了理论基础，对探索月球资源的有效利用路径具有重要意义。

这项工作发表在Materials Futures(DOI:10.1088/2752-5724/AC 74 af)上，题目是“利用玻璃:捕获和保留月球上的氦气”。这项工作由中国科学院物理研究所院士、航天五院费院士和南京大学院士领衔的月球土壤物理性质研究与综合利用项目组完成。月壤样品编号为CE5C0400。中国科学院物理研究所的研究员王军强、霍军涛、徐伟和白海洋是这些信件的合著者。中科院宁波材料所李敖博士、陈晓博士、宋博士和博士为共同第一作者。

图1，(a)EDS显微照片，形状像康乃馨花的月球钛铁矿颗粒(花托部分)和粘结的粘结材料(花冠)；(b)在透射电子显微镜下观察的氦泡的放大图，红色是Fe元素的分布；(c)月壤中钛铁矿表面形成玻璃层，氦泡主要在玻璃层中；(d)图(c)中不同位置的电子能量损失的光谱曲线。资料来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所

(中国科学院磁性材料与器件重点实验室，王军强)