月壤大量制水，是怎麼回事？ | 袁嵐峯_風聞

2024年8月22日，央視新聞報導了一個突破性的消息，稱我國科研人員利用嫦娥五號帶回的月壤樣本，發現了大量生產水的辦法。有多大量呢？1噸月壤可以產生51-76公斤水。

形象地説，這相當於100多瓶500毫升的水。一般一瓶礦泉水是500毫升左右，一提礦泉水是24瓶。50多公斤水，就相當於4提的瓶裝水。把這麼多瓶飲用水擺在一起，視覺衝擊力是很大的。如果1噸的月壤能生產這麼多水，這對我們將來建立月球基地是巨大的好消息。

但奇妙的是，我認識的很多科學家朋友，都對這個新聞持謹慎態度。不是説它不好，而是説它可能太好了，好得可能不是真的，too good to be true。這是為什麼呢？

另一方面，公眾對這個消息的反應可能是，在歡欣鼓舞的同時感到有些莫名其妙。近年來不時地聽到月球上有水的消息，每次説的都不一樣，這究竟是怎麼回事？是以前的結果錯了嗎？尤其是美國人，不是號稱阿波羅計劃從月球上取回了382公斤樣品嗎？為什麼沒發現月球上有水？是因為他們的登月壓根就是假的嗎？

下面，我就來稍微詳細地解讀一下。實際上，當我們談論月球上的水的時候，有好幾種不同的含義。

最基本的自然就是自由的水分子，能直接拿來用的。根據對美國阿波羅計劃取回來的樣品的分析，這樣的水應該含量極低。到底是多低呢？測不出來，因為在地球上處理樣品時難免會混入地球上的水，而測量值跟地球的本底值在誤差範圍內相等。這是2024年6月26日，我組織嫦娥六號返回的直播時，月壤研究專家、中國科學院地質與地球物理研究所李秋立研究員解釋的。

然後是羥基即氫氧基（-OH），這就不是直接能拿來用的了，而是隻要有一個氧原子和一個氫原子連在一起就算作水。為什麼會把這作為一種定義呢？因為它容易探測，-OH會有某種特徵的振動頻率，只要用光譜方法探測到這種振動頻率，就可以認為有水。此外，-OH轉化成自由的水也相對比較容易。

2022年1月，中國科學家發現嫦娥五號採樣區月壤的含水量在120 ppm以下，岩石的含水量約為180 ppm。這裏的水指的就是羥基。所謂ppm就是百萬分之一，所以這個新聞説的是1噸月球樣品裏大約有120克至180克水。這聽起來很少，但已經是大突破了，因為它説明在月球上可以原位制水。解決了有無的問題，多少的問題是次要的。

最近還出現了一個新的稱呼“分子水”，這又是什麼意思呢？這指的是水合物中的水。什麼叫水合物？就是水分子跟其他物質牢固結合在一起的化合物，請注意它是純淨物，不是混合物。例如大家上中學時學過的五水合硫酸銅（CuSO4·5H2O），它就是一種藍色的水合物。水在裏邊是以分子的形式存在，但水分子又跟銅離子緊密地配位，所以跟自由的水不是一回事，它不能喝。通過加熱等辦法，可以打破這種配位，把水分子釋放出來，藍色的五水硫酸銅變成白色的無水硫酸銅，這樣得到的水就是自由的水了。

2024年7月，中國科學家在嫦娥五號帶回的樣品中發現了一種富含水分子和銨離子（NH4＋）的未知礦物晶體——ULM-1，這是首次在月壤中發現分子水。跟羥基一樣，這也不是能喝的水。比羥基好的是，它直接就是水分子，通過加熱等比較温和的手段就可以把它釋放出來。

最後，我們來看最近的消息。從月壤能製備大量的水，這説的既不是自由的水，也不是羥基，也不是分子水，而是説月壤中有氫元素和氧元素，通過化學反應把它們變成水。結果居然有這麼多，一下子比羥基高了三個量級，一噸月壤能產生的水從克的量級變成了千克的量級。月壤裏氧元素本來就有很多，所以這個新聞的實質是，月壤裏的氫元素很多，比原來認為的多得多。

讓我們具體看一下新聞報道。這篇論文的標題叫做《月球鈦鐵礦通過與內源氫反應大量產水》（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen），8月22日發表在中國創辦的科學雜誌《創新》（The Innovation），通訊作者是中國科學院寧波材料技術與工程研究所王軍強研究員。《創新》的報道（The Innovation | 月球大量開採水的新方法）説：

月壤礦物由於太陽風億萬年的輻照儲存了大量氫。在加熱至高温後，氫將與礦物中的鐵氧化物發生氧化還原發應，生成單質鐵和大量水。當温度升高至1000℃以上，月壤將會熔化，反應生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。

經高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態、元素成分檢測等多種實驗技術分析，研究團隊確認1 克月壤中大約可以產生51-76毫克水（即5.1% -7.6%）。以此計算，1噸月壤將可以產生超過50 kg水，相當於100多瓶500毫升的瓶裝水，基本可以滿足50人一天的飲水量。研究團隊進一步研究了不同月球礦物中的氫含量區別。在五種月壤主要礦物（鈦鐵礦、斜長石、橄欖石、輝石、月壤玻璃）中，鈦鐵礦（FeTiO3）含氫量最高。電子顯微鏡下的原位加熱實驗也證明，月壤鈦鐵礦加熱後將同步生成大量單質鐵和水蒸汽氣泡，這進一步證明了月壤礦物中固溶的氫是產生水的關鍵。

這看起來非常好，但我認識的許多專家，包括一些長期研究月壤的，都對此表示謹慎。這是為什麼呢？因為這裏的氫似乎太多了。

讓我們具體算一下。1噸月壤能產生50千克以上的水，這個比例看起來不高，但氫原子非常輕，所以從原子數量的角度來看，這意味着氫原子在所有原子中佔的比例非常高。鈦鐵礦（FeTiO3）的分子量是152，水的分子量是18，一個水分子裏含兩個氫原子，所以水的質量比6%意味着每個鈦鐵礦分子式對應的氫原子數是2 × 0.06 × 152 / 18 = 1.01。

新聞裏説，計算模擬顯示月壤鈦鐵礦中存在納米微小孔道，這種納米孔道可以吸附並儲存大量來自太陽風的氫原子。每個鈦鐵礦分子可以吸附4個氫原子，是名副其實的月球“蓄水池”。這些信息跟以上估算是對應的。

但真正令人奇怪的是，月壤中的這麼多氫從哪裏來。如果在地球上向鈦鐵礦裏注入氫，那根據計算模擬，注入這麼多肯定是可以的。其實第一性原理計算模擬就是我的專業，所以我非常理解。但問題在於，月球上的氫從哪裏來？普遍都認為來自太陽風，而從常理來看，太陽風的氫應該只集中在表面一層，很難深入到內部。所以即使鈦鐵礦孔道里能容納再多的氫，跟體相可能也沒太多關係。

再想一想，如果月壤裏有這麼多氫，不是應該早就發現了嗎？測量元素組成，不應該是個特別難的事，而且應該就是正常研究的第一步。假如月壤中有這麼多氫，而以前的研究組都沒發現，那相當於説他們都在眼皮底下錯失了重大成果。因此這個結論，很難不讓人疑惑。

當然，並不是説這個結果一定錯，而是非同尋常的結論需要非同尋常的證據，所以現在還不能完全確認，需要更深入的討論、更紮實的實驗證據，來證實或者證偽它。其實我們在第一時間就聯繫上了王軍強研究員，他表示對相關的質疑，團隊都有考慮，對結果有信心。他鼓勵有興趣的學者，也來申請嫦娥五號帶回的月壤樣本，進行實驗復現。在這個意義上，這是我國學者特有的方便。

再來看看技術細節。你可能會以為，月壤樣品產生了多少水，是直接收集了水，稱重測量出來的。但其實並非如此，論文中是通過種種測量數據，間接計算出來的，有很長的推理鏈條。中間有幾個很強的假設，而這些假設，需要更多直接的證據。這個計算過程會不會有問題，是否有遺漏，這是專家質疑的關鍵。

實驗的基本原則是，對物品加熱反應，產生水蒸汽等化學物質。通過多種先進的儀器，統計信號，確認水的生成。前後稱量，少掉的數值，也就是“燒失”部分，就被認為是水。

有些學者懷疑，這個測量過程可能有問題。如過程中可能會產生氧氣，也會跑掉。而氧氣的來源，可能是在鉑催化的情況下，從氧化鐵分解而來。有人建議，用質譜儀分析燒失的氣體到底是水還是氧氣。

也許還有更直接的驗證辦法，例如對氫原子非常敏感的核磁共振實驗。如果測出來氫原子遠沒有這麼多，那麼結果自然是不能成立的。不過對於這種方法，王軍強回應説，月壤有磁性，核磁信號會被幹擾，無法測量。

從大的格局看，這些都是良性的交流。對於特別重大的成果，提出質疑，要求更多確實的證據，正是科學可信度的來源。我國已經有條件自主地進行更多測試，提供更多數據，這是好事。

如果最終月壤大量產水得到確認，這會成為探索月球的歷程中最驚人的突破之一。而如果進一步的研究説明，成果沒有這麼重大，那也是常見的後續。無論如何，心懷宇宙同時實事求是，才能走向星辰大海。