用1克月壤找到氦-3提取的“秘密”

年輕的科研團(tuán)隊(duì)合影，后排居中戴藍(lán)色手套者，手中捧著月壤樣品。中科院寧波材料所供圖

月壤安安靜靜地“躺”在一個(gè)小小的玻璃瓶里，被一個(gè)特殊的真空罩罩起來(lái)。那么小小一團(tuán)，甚至沒(méi)有鋪滿小玻璃瓶的瓶底，重量?jī)H有1克，看上去“有點(diǎn)兒像一團(tuán)灰”“毫不起眼”的月壤，卻可能會(huì)改變整個(gè)地球未來(lái)的能源走向。

嫦娥五號(hào)從月球帶回的月壤，被分給一些科研機(jī)構(gòu)做研究。中科院寧波材料所作為中國(guó)空間技術(shù)研究院的聯(lián)合研究單位，借用了1克月壤，他們的研究，就是尋找月壤中氦-3的提取方法。

近日，中科院寧波材料所、航天五院錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室、中科院物理所和南京大學(xué)等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在學(xué)術(shù)期刊《材料未來(lái)》（Materials Futures）上發(fā)表論文，宣布發(fā)現(xiàn)月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。玻璃態(tài)材料特殊的無(wú)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(chǔ)存上千年。這項(xiàng)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。

氦-3作為氦（元素周期表中第二個(gè)元素）的一種同位素，在能源、科學(xué)研究和國(guó)防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)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(kāi)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(guò)程無(wú)中子二次輻射危險(xiǎn)，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(jì)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(chǔ)量只有0.5噸左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)有需求。

在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻是儲(chǔ)量驚人。因?yàn)楹?3是太陽(yáng)風(fēng)的重要成分，月球常年受太陽(yáng)風(fēng)的輻照，儲(chǔ)存了大量氦-3。探索月球資源，特別是氦-3的含量、分布和開(kāi)采，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際深空探測(cè)的必然趨勢(shì)和主要任務(wù)。因此，從20世紀(jì)末開(kāi)始，科技界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(kāi)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(kāi)采。因此，探明月壤中氦-3的儲(chǔ)藏形式，對(duì)未來(lái)認(rèn)識(shí)月球是如何捕獲氦-3，如何開(kāi)發(fā)利用氦-3資源至關(guān)重要。

這次，中國(guó)研究人員通過(guò)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(cè)到了大量的氦氣泡，直徑大約為5-25納米（1毫米等于1000微米，1微米等于1000納米——記者注），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(méi)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(yáng)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(huì)逐漸釋放出來(lái)。而表層玻璃具有原子無(wú)序堆積結(jié)構(gòu)，限制了氦原子的釋放，氦原子被捕獲并逐漸儲(chǔ)存起來(lái)，形成了氣泡。

研究表明，通過(guò)機(jī)械破碎方法有望在常溫下提取以氣泡形式儲(chǔ)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(guò)磁篩選與其他月壤顆粒分開(kāi)，便于在月球上原位開(kāi)采。根據(jù)估算，月球上的氦-3如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者采訪得知，中科院寧波材料所的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，是一支年輕的科研團(tuán)隊(duì)。12位老師都是80后，學(xué)生有20人左右。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王軍強(qiáng)研究員說(shuō)，興趣和堅(jiān)持是科研成功之路的關(guān)鍵。

王軍強(qiáng)大學(xué)畢業(yè)時(shí)，決定考取中科院物理所的研究生，這是中國(guó)物理研究水平最高的地方之一。王軍強(qiáng)讀博期間，經(jīng)常做通宵實(shí)驗(yàn)，所以第一年下來(lái)，導(dǎo)師說(shuō)他是實(shí)驗(yàn)花銷最多的學(xué)生，但導(dǎo)師并不是在抱怨，而是以一種愉悅的口氣在跟他說(shuō)。這次，為了完成月壤研究任務(wù)，團(tuán)隊(duì)也是經(jīng)常通宵做實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)。最終，功夫不負(fù)有心人，他們獲得了一些關(guān)鍵性的成果。

因?yàn)閮H有1克月壤，每一次實(shí)驗(yàn)都要精心設(shè)計(jì)和計(jì)算。研究者要使用特制的手套箱來(lái)實(shí)現(xiàn)月壤樣品的取用，“從那一小團(tuán)灰里來(lái)取一點(diǎn)點(diǎn)小顆?！?，要經(jīng)過(guò)大量篩選，才能找到成功的樣品。目前團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中，也正在利用自主研制的具有國(guó)際領(lǐng)先水平的超高溫核磁共振設(shè)備，研究高溫下月壤樣品的玻璃轉(zhuǎn)變和相變，為未來(lái)原位3D打印月壤，建立月球基地奠定基礎(chǔ)。

研究工作有時(shí)候是很難看到明晰的方向或者結(jié)果的，許多顛覆性的、創(chuàng)新的研究，需要等上幾年甚至幾十年才能發(fā)揮作用。

“研究工作很有挑戰(zhàn)性，幸運(yùn)的是我們走上了一條成功的路?！眻F(tuán)隊(duì)成員、中科院寧波材料所副研究員許巍說(shuō)。

來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)