月壤造水知多少

月壤造水知多少

姬揚

2024.8.28

月亮上沒有水，這基本上是常識了。但是自嫦娥奔月以來，情況已發(fā)生了很大的變化，“問訊吳剛何所有，吳剛捧出桂花酒”，既然連酒都釀出來了，水應該也會有的吧？

2024年8月22日，有科學新聞說：我國科研人員利用嫦娥5號帶回的月壤樣本，發(fā)現了大量生產水的辦法，可以1噸產生51-76千克水。

我國科學家發(fā)現月壤生產大量水的新方法

這個成果顯然意義重大，但是與我們的常識有沖突：過去多年的科學報道和科普宣傳告訴我們，月球上幾乎沒有水?，F在突然說，1噸月壤就可以產生幾十公斤水，反差太大了。到底為啥呢？簡單介紹一下。

以前說的月球上沒有水，指的是缺少我們熟悉的那些形式的水，不管是液態(tài)的水、固體的冰還是氣態(tài)的水蒸氣，甚至連我們初中化學課里學過的那種結晶水都沒有。結晶水不是液態(tài)水，而是結合在化合物中的水分子。比如說，五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）是藍色的粉末晶體，加熱到一兩百度就會脫水，變成無水硫酸銅（CuSO4）的白色粉末。此前的研究工作表明，這些形式的水，在月球上都沒有——好吧，也許在月壤中有萬分之幾的含量，但是我們就不抬這個杠了。

五水硫酸銅（左）和無水硫酸銅（右）的顏色明顯不一樣。

前幾天發(fā)布的這個科學新聞說的是，利用嫦娥5號帶回的月壤樣本，能夠得到重量比大約5%的水，這可是了不得的事情。百分之幾比萬分之幾，可是差了幾百倍呢。

需要特別注意的是，這個工作說的是：月壤里有足夠多的氫原子和氧原子，但是它們的存在形式與我們日常熟悉的水沒有任何關系，只是在適當的條件下，它們能夠發(fā)生化學反應，形成水，而且量還不少。

舉個例子就清楚了。在下面這兩張照片里，左邊的是保溫板，右邊的是鐵礦石，它們都跟水沒有關系。我們平時看到它們，也不會聯(lián)想到水。但是，保溫板是聚苯乙烯（(C8H8)n）材料，里面包含了大量的氫原子，鐵礦石通常包括磁鐵礦（Fe3O4）、赤鐵礦（Fe2O3）和菱鐵礦（FeCO3）等，包含了大量的氧原子。只要你把它們交給化學家，分分鐘給你變出水來，信不信？這就是最簡單的氧化還原反應——當然，發(fā)生反應的條件可能不簡單，投入的成本可能會很大，但是跟把水運到月亮上，這些都不算事兒啊！

保溫板（左）和鐵礦石（右）

還有一點需要指出的是，這次新聞報道提到的工作，只用了很少一點點月壤，耗費的量只有幾十毫克（上次你剪手指甲的時候，剪下來的那一小片指甲，可能就不止這個量了）。用這么微小的樣品，做各種精細的測量，是非常困難的。雖然說最后的結論是，可以產生重量比大約5%的水，但是實際上并沒有得到哪怕一滴水甚至一絲水蒸氣，因為實驗條件不允許收集這些產物。

再說一遍，實驗可能是用十幾毫克的月壤產生了一兩毫克的水蒸氣，但是并沒有收集到任何實物，5%的產量只是科學推論，盡管是相當嚴謹的推論。至于說，1噸月壤可以產生51-76千克水，就更是美好的預期了，因為嫦娥5號帶回來的月壤總計還不到兩公斤。至于說文章里提到的月球造水方案，現在只能說，確實比科幻小說要實際多了。

即便如此，這個結果也是非常驚人的，意義顯然特別重大。那么，為什么以前沒有報道呢？

首先，月壤樣品可能太少了。在嫦娥5號采樣歸來以前，國內只有一克樣品，還是美國幾十年前贈送的；國外的樣品總量雖然挺多，但是真正分出去讓人研究的，可能也不多。

美國曾經贈送我國1克月壤樣品

其次，以前的測量技術也許不夠精密。月壤的研究基本上都是無損測量，因為樣品很寶貴，所以分給你的量很少，你可以用它測這個測那個，但是不能把它用掉了，用掉了就沒有了，誰也不敢冒這個險。這次工作拿到的樣品大概是幾克，最后耗費的可能是幾十毫克，這個估計也是咬緊牙關才下的決心了。如果今天你把一卡車月壤送到我們村子里，下星期我就可以告訴你它的各種性質——從來就沒有這么簡單的任務??！

阿波羅和嫦娥的登月地點不一樣

這個結果還不一定對啊。前兩天才報道出來，雖然經過了好幾年多方面的研究，雖然經過了好幾輪長時間的同行評議，雖然發(fā)表在高水平的國際期刊上，雖然得到很多媒體的廣泛報道，但是我們還是要承認，這個工作需要經過進一步的獨立檢驗。

我讀了這篇工作對應的科學論文，發(fā)現其中的數據是自洽的，雖然給人的感覺是撐得很滿，但是也沒有明顯矛盾的地方。如果說我還有更具體的懷疑，那就是下面這張圖了（來自于論文的圖2B），他們用電子能量損失譜測量了月壤里五種主要成分的氫原子含量：主圖里是單位質量的各種成分中所含的氫原子的數量（這個應該是首次得到的結果吧），插圖是各種成分所含氫原子量占月壤含氫原子總量的百分比（以前已經有人測過月壤各種成分的質量百分比了）。加熱月壤到1000多度、發(fā)生化學反應以后，月壤會損失一些重量，大概5%，他們認為損失的質量全是因為水蒸氣跑了，所以就可以推斷月壤中氫原子的絕對數量。但是問題在于，剛才那個主圖里的測量單位是“任意單位”a.u.，其實只能做相對的比較，如果跑掉的東西不是水蒸氣（比如說就有人猜也許是氧氣呢），那么他們的結論就會有問題了。

用電子能量損失譜測量月壤里五種主要成分的氫原子含量（來自于論文的圖2B）：主圖里是單位質量的各種成分中所含的氫原子的數量，插圖是各種成分所含氫原子量占月壤含氫原子總量的百分比。

我的最大疑問在于，根據這個工作可知，月壤中氫原子的數目百分比可能高達15%，而質譜的測量是相對比較簡單的，為什么以前沒有聽說過這方面的報道呢？也許是我孤陋寡聞，也許是其他研究者沒有朝這方面想、瞄著這個做，但總是感覺有些奇怪的。

關于氫原子的來源，他們也有些猜測，認為有可能來自于太陽風，因為太陽風里包含了很多氫原子或者質子。我估計了一下，如果只依賴太陽風產生月壤里的氫原子，如果簡單認為月球表面以下10厘米之內的氫原子都來自于太陽風的話，那么從零積攢到現在這個濃度，大概只需要幾十億年也就夠了。既然月球和太陽的年齡都有幾十億年，所以這件事也不是完全不可能。

太陽風從哪里來？太陽風從太陽來。

至于說，以前的月壤樣品為什么沒有觀察到這個結果，也許是因為月壤的成分在不同的地點有差別。西哲有言：參差百態(tài)乃幸福之源。也許這次就是幸福來敲門了呢。

至于說這樣的可能性：月球各地的月壤成分大致相同，只是太陽風作用的結果隨緯度有差別，恐怕就相當不可能了。一個原因是，各個登陸點帶回來的影像表明，不同地方的月表差異很大；另一個原因是，太陽風還是相當均勻的，隨緯度的差別最多依賴于維度的余弦，嫦娥5號登陸的緯度最高，大約是北緯43度，而阿波羅雖然主要在赤道附近的，但是也曾經到過南緯20度和北緯26度，所以這個差別最多也就是50%，根本不算事兒。

所以呢，月壤造水這個工作，很好很重要，但是結論很驚人，肯定需要進一步的驗證。我想，世界上能夠拿到月壤樣品的團隊還很多，可能有些人已經開始用各種方法檢驗自己的樣品、并與這次發(fā)表的結果做比較了。我們普通人只需要耐心等待就可以了。我覺得應該也不會等太久的。估計今年結束之前，就會有獨立的新結果出來。

至于說現在呢，我還是有些懷疑。而你呢？你當然可以因看見我的文章才相信，但是那沒有看見就信的，有福了。