月壤大量制水，是怎么回事？ | 袁岚峰

2024年8月22日，央视新闻报导了一个突破性的消息，称我国科研人员利用嫦娥五号带回的月壤样本，发现了大量生产水的办法。有多大量呢？1吨月壤可以产生51-76公斤水。

形象地说，这相当于100多瓶500毫升的水。一般一瓶矿泉水是500毫升左右，一提矿泉水是24瓶。50多公斤水，就相当于4提的瓶装水。把这么多瓶饮用水摆在一起，视觉冲击力是很大的。如果1吨的月壤能生产这么多水，这对我们将来建立月球基地是巨大的好消息。

但奇妙的是，我认识的很多科学家朋友，都对这个新闻持谨慎态度。不是说它不好，而是说它可能太好了，好得可能不是真的，too good to be true。这是为什么呢？

另一方面，公众对这个消息的反应可能是，在欢欣鼓舞的同时感到有些莫名其妙。近年来不时地听到月球上有水的消息，每次说的都不一样，这究竟是怎么回事？是以前的结果错了吗？尤其是美国人，不是号称阿波罗计划从月球上取回了382公斤样品吗？为什么没发现月球上有水？是因为他们的登月压根就是假的吗？

下面，我就来稍微详细地解读一下。实际上，当我们谈论月球上的水的时候，有好几种不同的含义。

最基本的自然就是自由的水分子，能直接拿来用的。根据对美国阿波罗计划取回来的样品的分析，这样的水应该含量极低。到底是多低呢？测不出来，因为在地球上处理样品时难免会混入地球上的水，而测量值跟地球的本底值在误差范围内相等。这是2024年6月26日，我组织嫦娥六号返回的直播时，月壤研究专家、中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员解释的。

然后是羟基即氢氧基（-OH），这就不是直接能拿来用的了，而是只要有一个氧原子和一个氢原子连在一起就算作水。为什么会把这作为一种定义呢？因为它容易探测，-OH会有某种特征的振动频率，只要用光谱方法探测到这种振动频率，就可以认为有水。此外，-OH转化成自由的水也相对比较容易。

2022年1月，中国科学家发现嫦娥五号采样区月壤的含水量在120 ppm以下，岩石的含水量约为180 ppm。这里的水指的就是羟基。所谓ppm就是百万分之一，所以这个新闻说的是1吨月球样品里大约有120克至180克水。这听起来很少，但已经是大突破了，因为它说明在月球上可以原位制水。解决了有无的问题，多少的问题是次要的。

最近还出现了一个新的称呼“分子水”，这又是什么意思呢？这指的是水合物中的水。什么叫水合物？就是水分子跟其他物质牢固结合在一起的化合物，请注意它是纯净物，不是混合物。例如大家上中学时学过的五水合硫酸铜（CuSO4·5H2O），它就是一种蓝色的水合物。水在里边是以分子的形式存在，但水分子又跟铜离子紧密地配位，所以跟自由的水不是一回事，它不能喝。通过加热等办法，可以打破这种配位，把水分子释放出来，蓝色的五水硫酸铜变成白色的无水硫酸铜，这样得到的水就是自由的水了。

2024年7月，中国科学家在嫦娥五号带回的样品中发现了一种富含水分子和铵离子（NH4^＋）的未知矿物晶体——ULM-1，这是首次在月壤中发现分子水。跟羟基一样，这也不是能喝的水。比羟基好的是，它直接就是水分子，通过加热等比较温和的手段就可以把它释放出来。

最后，我们来看最近的消息。从月壤能制备大量的水，这说的既不是自由的水，也不是羟基，也不是分子水，而是说月壤中有氢元素和氧元素，通过化学反应把它们变成水。结果居然有这么多，一下子比羟基高了三个量级，一吨月壤能产生的水从克的量级变成了千克的量级。月壤里氧元素本来就有很多，所以这个新闻的实质是，月壤里的氢元素很多，比原来认为的多得多。

让我们具体看一下新闻报道。这篇论文的标题叫做《月球钛铁矿通过与内源氢反应大量产水》（Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen），8月22日发表在中国创办的科学杂志《创新》（The Innovation），通讯作者是中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员。《创新》的报道（The Innovation | 月球大量开采水的新方法）说：

月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原发应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。

经高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等多种实验技术分析，研究团队确认1 克月壤中大约可以产生51-76毫克水（即5.1% -7.6%）。以此计算，1吨月壤将可以产生超过50 kg水，相当于100多瓶500毫升的瓶装水，基本可以满足50人一天的饮水量。研究团队进一步研究了不同月球矿物中的氢含量区别。在五种月壤主要矿物（钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃）中，钛铁矿（FeTiO3）含氢量最高。电子显微镜下的原位加热实验也证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸汽气泡，这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。

这看起来非常好，但我认识的许多专家，包括一些长期研究月壤的，都对此表示谨慎。这是为什么呢？因为这里的氢似乎太多了。

让我们具体算一下。1吨月壤能产生50千克以上的水，这个比例看起来不高，但氢原子非常轻，所以从原子数量的角度来看，这意味着氢原子在所有原子中占的比例非常高。钛铁矿（FeTiO3）的分子量是152，水的分子量是18，一个水分子里含两个氢原子，所以水的质量比6%意味着每个钛铁矿分子式对应的氢原子数是2 × 0.06 × 152 / 18 = 1.01。

新闻里说，计算模拟显示月壤钛铁矿中存在纳米微小孔道，这种纳米孔道可以吸附并储存大量来自太阳风的氢原子。每个钛铁矿分子可以吸附4个氢原子，是名副其实的月球“蓄水池”。这些信息跟以上估算是对应的。

但真正令人奇怪的是，月壤中的这么多氢从哪里来。如果在地球上向钛铁矿里注入氢，那根据计算模拟，注入这么多肯定是可以的。其实第一性原理计算模拟就是我的专业，所以我非常理解。但问题在于，月球上的氢从哪里来？普遍都认为来自太阳风，而从常理来看，太阳风的氢应该只集中在表面一层，很难深入到内部。所以即使钛铁矿孔道里能容纳再多的氢，跟体相可能也没太多关系。

再想一想，如果月壤里有这么多氢，不是应该早就发现了吗？测量元素组成，不应该是个特别难的事，而且应该就是正常研究的第一步。假如月壤中有这么多氢，而以前的研究组都没发现，那相当于说他们都在眼皮底下错失了重大成果。因此这个结论，很难不让人疑惑。

当然，并不是说这个结果一定错，而是非同寻常的结论需要非同寻常的证据，所以现在还不能完全确认，需要更深入的讨论、更扎实的实验证据，来证实或者证伪它。其实我们在第一时间就联系上了王军强研究员，他表示对相关的质疑，团队都有考虑，对结果有信心。他鼓励有兴趣的学者，也来申请嫦娥五号带回的月壤样本，进行实验复现。在这个意义上，这是我国学者特有的方便。

再来看看技术细节。你可能会以为，月壤样品产生了多少水，是直接收集了水，称重测量出来的。但其实并非如此，论文中是通过种种测量数据，间接计算出来的，有很长的推理链条。中间有几个很强的假设，而这些假设，需要更多直接的证据。这个计算过程会不会有问题，是否有遗漏，这是专家质疑的关键。

实验的基本原则是，对物品加热反应，产生水蒸汽等化学物质。通过多种先进的仪器，统计信号，确认水的生成。前后称量，少掉的数值，也就是“烧失”部分，就被认为是水。

有些学者怀疑，这个测量过程可能有问题。如过程中可能会产生氧气，也会跑掉。而氧气的来源，可能是在铂催化的情况下，从氧化铁分解而来。有人建议，用质谱仪分析烧失的气体到底是水还是氧气。

也许还有更直接的验证办法，例如对氢原子非常敏感的核磁共振实验。如果测出来氢原子远没有这么多，那么结果自然是不能成立的。不过对于这种方法，王军强回应说，月壤有磁性，核磁信号会被干扰，无法测量。

从大的格局看，这些都是良性的交流。对于特别重大的成果，提出质疑，要求更多确实的证据，正是科学可信度的来源。我国已经有条件自主地进行更多测试，提供更多数据，这是好事。

如果最终月壤大量产水得到确认，这会成为探索月球的历程中最惊人的突破之一。而如果进一步的研究说明，成果没有这么重大，那也是常见的后续。无论如何，心怀宇宙同时实事求是，才能走向星辰大海。