中国科学家：“月壤玻璃”为捕获和保存氦-3 的关键物质

IT之家 6 月 11 日消息，据央视新闻报道，近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天五院钱学森实验室、中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队，对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究。发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。研究人员在玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径大约为 5～25nm，且大部分气泡都位于玻璃层与晶体的界面附近。而在颗粒内部晶体中，基本没有氦气泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中，之后在晶格的沟道扩散效应下，氦会逐渐释放出来。而表层玻璃具有原子无序堆积结构，限制了氦原子的释放，被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。

▲ 图源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

据中国科学院宁波材料技术与工程研究所网站，氦-3 作为氦（元素周期表中第二个元素）的一种同位素，在能源、科学研究等领域具有重要应用价值。比如，作为一种可控核聚变的燃料，氦-3 核聚变产生的能量是开采所需能量的 250 倍，是铀-235 核裂变反应（约为 20）的 12.5 倍。100 吨氦-3 核聚变产生的能量即可供应全球使用 1 年，且氦-3 核聚变过程无中子二次辐射危险，更加清洁和可控。另外，氦-3 是获得极低温环境的关键制冷剂，是超导、量子计算、拓扑绝缘体等前沿研究领域的必需物质。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3 储量只有 0.5 吨左右，远远无法满足现有需求。

氦-3 是太阳风的重要成分，月球由于常年受太阳风的辐照，储存了大量氦-3。但是为什么月球具有丰富的战略资源氦-3？氦-3 在月球上是以什么形式储藏的？这些问题还没有明确的答案。探索月球资源，特别是氦-3 的含量、分布和开采，已经成为当前国际深空探测的必然趋势和主要任务。因此，从 20 世纪末开始，全球掀起了新一轮的月球“淘金热”，使探月工程和科学研究达到新的高潮。但是如何原位、高效开采氦-3 还是科学和技术难题。以往研究认为氦-3 溶解在月壤颗粒中，提取氦-3 受扩散速率限制，需要 700℃以上的高温，不但耗能较高，而且速度慢，不利于在月球上原位开采。因此，探明月壤中氦-3 的储藏形式，对未来认识月球是如何捕获氦-3，如何开发利用氦-3 资源至关重要。

IT之家了解到，科研团队工作表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-3，不需要加热至高温。而且，钛铁矿具有弱磁性，可以通过磁筛选与其他月壤颗粒分开，便于在月球上原位开采。通过进一步计算，研究人员发现气泡中的氦气原子的数密度达到 50-192 He / nm³，具有极高的压力。根据月球上钛铁矿总量估算，以气泡形式储藏的氦-3 总量或高达 26 万吨，如果全部用于核聚变，可以满足全球 2600 年的能源需求。这些结果不但为月球上氦-3 的富集机理提供了新的见解，也为未来月球氦-3 的原位开采利用奠定了理论基础，对探寻月球资源的有效利用路径具有重要意义。