爲什麼(me)月球具有豐富的戰略資源氦-3？氦-3在月球上是以什麼(me)形式儲藏的？如何原位開(kāi)采氦-3？最近研究發(fā)現月壤玻璃在捕獲和保存氦-3氣體中發(fā)揮了關鍵作用。
氦-3作爲氦（元素周期表中第二個元素）的一種(zhǒng)同位素，在能(néng)源、科學(xué)研究等領域具有重要應用價值。比如，作爲一種(zhǒng)可控核聚變的燃料，氦-3核聚變産生的能(néng)量是開(kāi)采所需能(néng)量的250倍，是鈾-235核裂變反應（約爲20）的12.5倍。100噸氦-3核聚變産生的能(néng)量即可供應全球使用1年，且氦-3核聚變過(guò)程無中子二次輻射危險，更加清潔和可控。另外，氦-3是獲得極低溫環境的關鍵制冷劑，是超導、量子計算、拓撲絕緣體等前沿研究領域的必需物質。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3儲量隻有0.5噸左右，遠遠無法滿足現有需求。
氦-3是太陽風的重要成(chéng)分，月球由于常年受太陽風的輻照，儲存了大量氦-3。但是爲什麼(me)月球具有豐富的戰略資源氦-3？氦-3在月球上是以什麼(me)形式儲藏的？這(zhè)些問題還(hái)沒(méi)有明确的答案。探索月球資源，特别是氦-3的含量、分布和開(kāi)采，已經(jīng)成(chéng)爲當前國(guó)際深空探測的必然趨勢和主要任務。因此，從20世紀末開(kāi)始，全球掀起(qǐ)了新一輪的月球“淘金熱”，使探月工程和科學(xué)研究達到新的高潮。但是如何原位、高效開(kāi)采氦-3還(hái)是科學(xué)和技術難題。以往研究認爲氦-3溶解在月壤顆粒中，提取氦-3受擴散速率限制，需要700℃以上的高溫，不但耗能(néng)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的儲藏形式，對(duì)未來認識月球是如何捕獲氦-3，如何開(kāi)發(fā)利用氦-3資源至關重要。
近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所、航天五院錢學(xué)森實驗室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和南京大學(xué)等聯合團隊，對(duì)嫦娥五号月壤顆粒中的氦原子進(jìn)行了探測和研究。發(fā)現月壤中钛鐵礦顆粒表面(miàn)都(dōu)存在一層非晶玻璃。研究人員通過(guò)高分辨透射電鏡結合電子能(néng)量損失譜法，在玻璃層中觀測到了大量的氦氣泡，直徑大約爲5～25nm，且大部分氣泡都(dōu)位于玻璃層與晶體的界面(miàn)附近。而在顆粒内部晶體中，基本沒(méi)有氦氣泡。鑒于氦在钛鐵礦中的高溶解度，研究人員認爲氦原子首先由太陽風注入钛鐵礦晶格中，之後(hòu)在晶格的溝道(dào)擴散效應下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結構，限制了氦原子的釋放，被(bèi)捕獲并逐漸儲存起(qǐ)來，形成(chéng)了氣泡。
玻璃态材料特殊的無序原子堆積結構具有極高的穩定性，比如玻璃态琥珀可以將(jiāng)生物标本保存上億年、氧化物玻璃可以將(jiāng)核廢料儲存上千年。這(zhè)項工作表明钛鐵礦玻璃也具有極高的穩定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。
工作表明，通過(guò)機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，钛鐵礦具有弱磁性，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。通過(guò)進(jìn)一步計算，研究人員發(fā)現氣泡中的氦氣原子的數密度達到50-192 He/nm3，具有極高的壓力。根據月球上钛鐵礦總量估算，以氣泡形式儲藏的氦-3總量或高達26萬噸，如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能(néng)源需求。這(zhè)些結果不但爲月球上氦-3的富集機理提供了新的見解，也爲未來月球氦-3的原位開(kāi)采利用奠定了理論基礎，對(duì)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”爲題發(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華院士、航天五院楊孟飛院士、南京大學(xué)鄒志剛院士領銜的月壤物性研究及綜合利用項目團隊完成(chéng)，月壤樣(yàng)品編号CE5C0400。中科院甯波材料所王軍強研究員、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爲共同通訊作者。中科院甯波材料所李傲、陳霄、宋麗建博士和陳國(guó)新博士爲共同第一作者。
圖1、（a）EDS顯微圖，一顆形似康乃馨花的月壤钛鐵礦顆粒（花托部分）和粘接的膠結物質（花冠）；（b）透射電鏡下觀測到的一個氦氣泡的放大圖，紅色爲Fe元素分布情況；（c）月壤钛鐵礦表面(miàn)形成(chéng)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(néng)量損失譜曲線。
（中科院磁性材料與器件重點實驗室 王軍強）
