月壤大量制水，是怎么回事？

合集 · 解读科技问题 (79)

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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。
	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。
	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。
	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。