8月22日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队联合中国科学院物理研究所、航天五院钱学森实验室、松山湖材料实验室和南京大学等的科研团队，在《创新》（The Innovation）上发表了题为《月球钛铁矿与内源性氢反应产生大量水》（Producing substantial amount of water through reaction of lunar ilmenite and endogenous hydrogen）的研究论文。该研究通过探讨嫦娥五号月壤不同矿物中的氢含量，提出了全新的基于高温氧化还原反应生产水的方法。

水是建设月球科研站以及未来开展月球星际旅行的关键资源。研究水在月球上的分布和演化，可以帮助人类探究月球岩浆海洋演化、地幔挥发分含量、月球轰击历史以及太阳风和月球表面相互作用。因此，探寻水资源是月球探测的首要任务之一。此前，科学家聚焦于月球上自然态水资源的分布情况。Apollo、Luna和嫦娥五号探月任务前期研究结果表明，在月球南极和北极以及常年阴影区可能存在自然态的冰。对嫦娥五号月壤的研究表明，月壤玻璃、斜长石、橄榄树和辉石等月壤矿物中含有少量水。而这些矿物中的含水量仅在0.0001%至0.02%之间即含量稀少，难以在月球原位提取利用。因此，研究探测新的月球水资源及其开采策略，是未来探月工程的重点内容。

2021年，该合作团队承担了嫦娥五号月壤首批研究任务。经过3年的深入研究和反复验证，该团队发现了全新的在月球制备水的方法。研究显示，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反应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。

通过高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等实验技术分析，该团队确认1克月壤中约可以产生51毫克至76毫克水即5.1%至7.6%。以此计算，1吨月壤将可以产生约51千克至76千克水，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。

进一步，该团队研究了不同月球矿物中的含氢量区别。在五种月壤主要矿物即钛铁矿、斜长石、橄榄石、辉石、月壤玻璃中，钛铁矿（FeTiO₃）含氢量最高，其次是斜长石和月壤玻璃，钛铁矿的含氢量约是斜长石的3.5倍、是月壤玻璃的10倍。电子显微镜下的原位加热实验证明，月壤钛铁矿加热后将同步生成大量单质铁和水蒸气气泡，而其他含铁月壤矿物加热后生成了少量铁单质和气泡，地球上的同种矿物加热后则不会生成单质铁和气泡。这进一步证明了月壤矿物中固溶的氢是产生水的关键。

为阐明月壤钛铁矿为何能够储存如此大量的氢，科研人员研究月壤钛铁矿的原子结构发现，与地球上的钛铁矿相比，月壤钛铁矿原子间距由于氢的存在而显著增大。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（FeTiO₃）可以吸附4个氢原子，是月球的“蓄水池”。

实验发现，电子辐照可以降低氢与铁氧化物的反应温度，水的生成温度可以从600℃降低至200℃。这可以解释前人发现的氢元素在月球上分布随着纬度的变化规律。也就是说，赤道位置由于受太阳风辐照最强，而太阳风中含有大量电子，使得其中的氢更多被还原成水蒸气而挥发出来；高纬度受太阳风电子辐照影响较小，可以保留更多的氢。

基于上述成果，该团队提出了具有可行性的月球水资源原位开采与利用策略，即通过凹面镜聚焦太阳光加热月壤至熔融。这一策略将为未来月球科研站及空间站建设提供设计依据，可在后续的嫦娥探月任务中发射验证性设备以完成进一步确认。

宁波材料所为第一完成单位与第一通讯单位。

月壤加热过程中水和单质铁的形成过程以及各种主要矿物的含水量对比

通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图