嫦娥五號月壤研究新發現，有望實現常温下提取氦-3

據中科院寧波材料技術與工程研究所網站6月10日消息，為什麼月球具有豐富的戰略資源氦-3？氦-3在月球上是以什麼形式儲藏的？如何原位開採氦-3？最近研究發現月壤玻璃在捕獲和保存氦-3氣體中發揮了關鍵作用。

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是獲得極低温環境的關鍵製冷劑，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。

氦-3是太陽風的重要成分，月球由於常年受太陽風的輻照，儲存了大量氦-3。但是為什麼月球具有豐富的戰略資源氦-3？氦-3在月球上是以什麼形式儲藏的？這些問題還沒有明確的答案。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，全球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。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℃以上的高温，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。

由嫦娥五號採集的月球樣品（月壤）

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所、航天五院錢學森實驗室、中國科學院物理研究所和南京大學等聯合團隊，對嫦娥五號月壤顆粒中的氦原子進行了探測和研究。發現月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。研究人員通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5～25nm，且大部分氣泡都位於玻璃層與晶體的界面附近。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。

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保存上億年、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，在月球上捕獲並保存了豐富的氦-3資源。

工作表明，**通過機械破碎方法有望在常温下提取氣泡形式儲存的氦-3，不需要加熱至高温。**而且，鈦鐵礦具有弱磁性，**可以通過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便於在月球上原位開採。**通過進一步計算，研究人員發現氣泡中的氦氣原子的數密度達到50-192 He/nm3，具有極高的壓力。根據月球上鈦鐵礦總量估算，以氣泡形式儲藏的氦-3總量或高達26萬噸，如果全部用於核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。這些結果不但為月球上氦-3的富集機理提供了新的見解，也為未來月球氦-3的原位開採利用奠定了理論基礎，對探尋月球資源的有效利用路徑具有重要意義。

該工作以“Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon”為題發表在《材料未來》期刊（Materials Futures，DOI:10.1088/2752-5724/ac74af）。本工作由中科院物理所汪衞華院士、航天五院楊孟飛院士、南京大學鄒志剛院士領銜的月壤物性研究及綜合利用項目團隊完成，月壤樣品編號CE5C0400。中科院寧波材料所王軍強研究員、霍軍濤研究員、許巍副研究員和中科院物理所白海洋研究員為共同通訊作者。中科院寧波材料所李傲、陳霄、宋麗建博士和陳國新博士為共同第一作者。

圖1、（a）EDS顯微圖，一顆形似康乃馨花的月壤鈦鐵礦顆粒（花托部分）和粘接的膠結物質（花冠）；（b）透射電鏡下觀測到的一個氦氣泡的放大圖，紅色為Fe元素分佈情況；（c）月壤鈦鐵礦表面形成了玻璃層，氦氣泡主要在玻璃層中；（d）圖（c）中不同位置的電子能量損失譜曲線。 圖源：中科院寧波材料技術與工程研究所

（中科院磁性材料與器件重點實驗室 王軍強）