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2023-01-31
嫦娥五號月壤新發(fā)現(xiàn)，有望實現(xiàn)常溫下提取氦-3
更新時間：2022-06-15 10:30:26作者：佚名
據(jù)中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所網(wǎng)站6月10日消息，為什么月球具有豐富的戰(zhàn)略資源氦-3？氦-3在月球上是以什么形式儲藏的？如何原位開采氦-3？最近研究發(fā)現(xiàn)月壤玻璃在捕獲和保存氦-3氣體中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
氦-3作為氦（元素周期表中第二個元素）的一種同位素，在能源、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。比如，作為一種可控核聚變的燃料，氦-3核聚變產(chǎn)生的能量是開采所需能量的250倍，是鈾-235核裂變反應(yīng)（約為20）的12.5倍。100噸氦-3核聚變產(chǎn)生的能量即可供應(yīng)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(huán)境的關(guān)鍵制冷劑，是超導(dǎo)、量子計算、拓?fù)浣^緣體等前沿研究領(lǐng)域的必需物質(zhì)。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(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)有需求。
氦-3是太陽風(fēng)的重要成分，月球由于常年受太陽風(fēng)的輻照，儲存了大量氦-3。但是為什么月球具有豐富的戰(zhàn)略資源氦-3？氦-3在月球上是以什么形式儲藏的？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、分布和開采，已經(jīng)成為當(dāng)前國際深空探測的必然趨勢和主要任務(wù)。因此，從20世紀(jì)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(xué)研究達(dá)到新的高潮。但是如何原位、高效開采氦-3還是科學(xué)和技術(shù)難題。以往研究認(rèn)為氦-3溶解在月壤顆粒中，提取氦-3受擴(kuò)散速率限制，需要700℃以上的高溫，不但耗能較高，而且速度慢，不利于在月球上原位開采。因此，探明月壤中氦-3的儲藏形式，對未來認(rèn)識月球是如何捕獲氦-3，如何開發(fā)利用氦-3資源至關(guān)重要。
由嫦娥五號採集的月球樣品（月壤）
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、航天五院錢學(xué)森實驗室、中國科學(xué)院物理研究所和南京大學(xué)等聯(lián)合團(tuán)隊，對嫦娥五號月壤顆粒中的氦原子進(jìn)行了探測和研究。發(fā)現(xiàn)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(jié)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，且大部分氣泡都位于玻璃層與晶體的界面附近。而在顆粒內(nèi)部晶體中，基本沒有氦氣泡。鑒于氦在鈦鐵礦中的高溶解度，研究人員認(rèn)為氦原子首先由太陽風(fēng)注入鈦鐵礦晶格中，之后在晶格的溝道擴(kuò)散效應(yīng)下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結(jié)構(gòu)，限制了氦原子的釋放，被捕獲并逐漸儲存起來，形成了氣泡。
玻璃態(tài)材料特殊的無序原子堆積結(jié)構(gòu)具有極高的穩(wěn)定性，比如玻璃態(tài)琥珀可以將生物標(biāo)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(wěn)定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。
工作表明，通過機(jī)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，可以通過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便于在月球上原位開采。通過進(jìn)一步計算，研究人員發(fā)現(xiàn)氣泡中的氦氣原子的數(shù)密度達(dá)到50-192 He/nm3，具有極高的壓力。根據(jù)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(dá)26萬噸，如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。這些結(jié)果不但為月球上氦-3的富集機(jī)理提供了新的見解，也為未來月球氦-3的原位開采利用奠定了理論基礎(chǔ)，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(fā)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衛(wèi)華院士、航天五院楊孟飛院士、南京大學(xué)鄒志剛院士領(lǐng)銜的月壤物性研究及綜合利用項目團(tuán)隊完成，月壤樣品編號CE5C0400。中科院寧波材料所王軍強(qiáng)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(jié)物質(zhì)（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元素分布情況；（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(shù)與工程研究所
（中科院磁性材料與器件重點實驗室 王軍強(qiáng)）