嫦娥五號月壤新發現：中國科學家找到捕獲和儲存氦-3氣體的關鍵物質

中青報·中青網記者 蔣雨彤  

月壤安安靜靜地“躺”在一個小小的玻璃瓶裡，被一個特殊的真空罩罩起來。那麼小小一團，甚至沒有鋪滿小玻璃瓶的瓶底，重量僅有1克，看上去“有點兒像一團灰”“毫不起眼”的月壤，卻可能會改變整個地球未來能源走向。

嫦娥五號從月球帶回的月壤，被分給一些科研機構做研究。中科院寧波材料所得到了其中一份，他們的研究，就是尋找月壤中氦-3的提取方法。近日，中科院寧波材料所、航天五院錢學森實驗室、中科院物理所和南京大學等聯合團隊，在學術期刊《材料未來》（Materials Futures）上發表論文，宣佈發現月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。玻璃態材料特殊的無序原子堆積結構具有極高的穩定性，比如玻璃態琥珀可以將生物標本儲存上億年、氧化物玻璃可以將核廢料儲存上千年。這項工作表明鈦鐵礦玻璃也具有極高的穩定性，在月球上捕獲並儲存了豐富的氦-3資源。

嫦娥五號部分月壤樣品。中科院寧波材料所供圖

氦-3作為氦（元素週期表中第二個元素）的一種同位素，在能源、科學研究和國防安全等領域具有重要應用價值。比如，作為一種可控核聚變的燃料，氦-3核聚變產生的能量是開採所需能量的250倍，是鈾-235核裂變反應（約為20）的12。5倍。100噸氦-3核聚變產生的能量即可供應全球使用1年，且氦-3核聚變過程無中子二次輻射危險，更加清潔和可控。另外，氦-3是獲得極低溫環境的關鍵製冷劑，是超導、量子計算、拓撲絕緣體等前沿研究領域的必需物質。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3儲量只有0。5噸左右，遠遠無法滿足現有需求。

在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻是儲量驚人。因為氦-3是太陽風的重要成分，月球常年受太陽風的輻照，儲存了大量氦-3。探索月球資源，特別是氦-3的含量、分佈和開採，已經成為當前國際深空探測的必然趨勢和主要任務。因此，從20世紀末開始，科技界掀起了新一輪的月球“淘金熱”，使探月工程和科學研究達到新的高潮。但是如何原位、高效開採氦-3還是科學和技術難題。

研究人員在手套箱中分選月壤樣品。中科院寧波材料所供圖

以往研究認為，氦-3溶解在月壤顆粒中，提取氦-3受擴散速率限制，需要700℃以上的高溫，不但耗能較高，而且速度慢，不利於在月球上原位開採。因此，探明月壤中氦-3的儲藏形式，對未來認識月球是如何捕獲氦-3，如何開發利用氦-3資源至關重要。

這次，中國研究人員透過高分辨透射電鏡結合電子能量損失譜法，在玻璃層中觀測到了大量的氦氣泡，直徑大約為5~25奈米（1毫米等於1000微米，1微米等於1000奈米——記者注），且大部分氣泡都位於玻璃層與晶體的介面附近。而在顆粒內部晶體中，基本沒有氦氣泡。

鑑於氦在鈦鐵礦中的高溶解度，研究人員認為氦原子首先由太陽風注入鈦鐵礦晶格中，之後在晶格的溝道擴散效應下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結構，限制了氦原子的釋放，被捕獲並逐漸儲存起來，形成了氣泡。

年輕的科研團隊合影，後排居中戴藍色手套者，手中捧著月壤樣品。中科院寧波材料所供圖

研究表明，透過機械破碎方法有望在常溫下提取氣泡形式儲存的氦-3，不需要加熱至高溫。而且，鈦鐵礦具有弱磁性，可以透過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便於在月球上原位開採。根據估算，月球上的氦-3如果全部用於核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。

中青報·中青網記者採訪得知，中科院寧波材料所的這個研究團隊，是一支年輕的科研團隊。12位老師都是80後，學生有20人左右。團隊負責人王軍強研究員說，興趣和堅持是科研成功之路的關鍵。

王軍強大學畢業時，決定考取中科院物理所的研究生，這是中國物理研究水平最好的地方之一。王軍強讀博期間，經常做通宵實驗，所以第一年下來，導師說他是實驗花費最多的學生，但導師並不是在抱怨，而是以一種愉悅的口氣在跟他說。這次，為了完成月壤研究任務，團隊也是經常通宵做實驗和分析資料。最終，功夫不負有心人，他們獲得了一些關鍵性的成果。

因為僅有1克月壤，每一次實驗都要精心設計和計算。使用特製的手套箱來實現月壤樣品的取用，“從那一小團灰裡來取一點點小顆粒”，要經過大量篩選，才能找到成功的樣品。目前團隊在研究過程中，也正在利用自主研製的具有國際領先水平的超高溫核磁共振裝置，研究高溫下月壤樣品的玻璃轉變和相變，為未來原位3D列印月壤，建立月球基地奠定基礎。

研究工作的意義，有時候是很難看到明晰的方向或者結果的，許多顛覆性的、創新的研究，需要等上幾年甚至幾十年才能發揮作用。

“研究工作很有挑戰性，幸運的是我們走上了一條成功的路。”團隊成員、中科院寧波材料所副研究員許巍說。