氦3的存贮机理和提炼方法（1克月壤都不能浪费）

月壤来之不易

降低消耗是首要

如何尽可能降低损耗，测试嫦娥五号月壤样品的粒度和矿物组成？最近，中国地质大学（武汉）获悉，该校佘振兵、汪在聪教授科研团队在月壤研究中取得新进展，团队开发了一种样品消耗极低的新技术，可同时测定月壤的粒度和矿物组成。这对解释月球深空探测轨道遥感光谱数据、理解月球岩浆活动和空间风化过程具有重要意义。去年7月，该校地球科学学院教授汪在聪领衔的团队申请到嫦娥五号首批月球样品，共200毫克。“样品非常珍贵，可允许的损耗量仅为50毫克，要出更多研究成果，我们只能尽可能降低损耗。”汪在聪介绍，20世纪70年代以来, 科学家开始使用各种手段研究月壤样品，前人所采用的方法通常需消耗较多样品，并难以同时获得矿物组成和粒度、形貌等多方面信息。

（文章内容来源于网络）

研究团队基于拉曼光谱微颗粒分析技术，开发以极低样品损耗量，同时测定颗粒样品粒度和矿物组成的新方法，成功运用到嫦娥五号月壤样品研究。这一研究技术在月壤研究中的应用在世界上尚属首次，以往技术通常只能开展粒度或矿物组成其中一项研究。据介绍，该研究每次仅需约30微克样品，获取多维度信息的同时，将样品损耗降到最低，且样品制备简单，极大降低可能带来的样品污染问题。此外，该方法可在短时间内快速建立一个矿物粒度和组成的多元化信息数据库，有助于发现稀有矿物相。该方法进一步发展，将为未来火星和小行星等其他天体返回的微颗粒样品，进行快速分析提供关键技术支撑。

研究发现嫦娥五号月壤样品平均粒度为3.5微米，且呈单峰式分布，表明其具有较高成熟度，即受到的太空风化强烈。“矿物粒度是指颗粒直径，最细的面粉平均粒度超过100微米，嫦娥五号月壤样品比面粉还细几十倍。”汪在聪表示，月壤粒度的测定对研究太空风化过程具有重要作用。

损耗减少

剩下的就是发现

去年7月，汪在聪团队申请到嫦娥五号首批表取月壤样品200毫克。团队针对月壤样品建立一种新的分析技术，在2毫克样品极低损耗量情况下，同时准确测定了月壤中48种主量和微量元素含量。数据表明，除镍元素外，嫦娥五号月壤的主量和微量元素含量与其中玄武岩玻璃和岩屑的元素含量高度一致，并验证了遥感数据，支持风暴洋北部区域广泛分布中钛、高铁和富钍的玄武岩。

“月球玄武岩镍元素含量远低于陨石，但是嫦娥五号月壤具有高镍含量特征，指示有陨石物质加入月壤。”汪在聪介绍，根据过量的镍含量，该团队估算出嫦娥五号月壤大概有1%陨石物质加入，但是这不会造成其它元素含量的显著变化。

汪在聪表示，元素含量高度一致，意味着嫦娥五号月壤化学成分(除镍和其他个别元素)，可以用来代表着陆区月海年轻玄武岩的平均化学组成。这为通过月壤，研究月球年轻玄武岩的起源，进而理解月球内部演化提供了新途径。在月球演化中，高度富集钾、稀土元素和磷等元素的克里普物质扮演了重要角色。此前有研究认为，嫦娥五号玄武岩的月幔源区不含克里普物质。汪在聪团队基于月壤中更多高度不相容微量元素的特征，则提出嫦娥五号玄武岩月幔源区可能含有约1%-1.5%的克里普物质，同时含有高达40%-60%的单斜辉石。“单斜辉石具有低熔点，克里普物质富集放射性生热元素。”宗克清表示，这两者在嫦娥五号玄武岩月幔源区的共同作用，有可能是月球在20亿年依然存在岩浆活动的原因之一。

1克月壤也不浪费

提取氦-3需要点技术

嫦娥五号从月球带回的月壤，被分给一些科研机构做研究。其中中科院宁波材料所作为中国空间技术研究院的联合研究单位，借用了1克月壤，他们的研究，就是寻找月壤中氦-3的提取方法。

近日，中科院宁波材料所、航天五院钱学森实验室、中科院物理所和南京大学等联合团队，在学术期刊《材料未来》（Materials Futures）上发表论文，宣布发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。玻璃态材料特殊的无序原子堆积结构具有极高的稳定性，比如玻璃态琥珀可以将生物标本保存上亿年、氧化物玻璃可以将核废料储存上千年。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性，在月球上捕获并保存了丰富的氦-3资源。

（文章内容来源于网络）

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、科学研究和国防安全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。

在地球上稀缺的氦-3，在月球上却是储量惊人。因为氦-3是太阳风的重要成分，月球常年受太阳风的辐照，储存了大量氦-3。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，科技界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。

中国研究人员通过高分辨透射电镜结合电子能量损失谱法，在玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径大，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，氦原子被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。研究表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取以气泡形式储存的氦-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。根据估算，月球上的氦-3如果全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。

因为仅有1克月壤，每一次实验都要精心设计和计算。研究者要使用特制的手套箱来实现月壤样品的取用，“从那一小团灰里来取一点点小颗粒”，要经过大量筛选，才能找到成功的样品。目前团队在研究过程中，也正在利用自主研制的具有国际领先水平的超高温核磁共振设备，研究高温下月壤样品的玻璃转变和相变，为未来原位3D打印月壤，建立月球基地奠定基础。

而关于氦-3的研究，我们也一直没有间断过，而我们从月球带回来的土壤样品，也成为了我们最重要的实验样品~目前科学家对包括月球氦-3在内的核能元素的认识，大多基于非常有限的月球取样以及天文物理和天体遥感探测数据，资源评价精准程度远远不够。现有的月壤氦-3提取技术也仅仅是建立在少量月球样品基础上的实验室数据，缺乏大规模试验和系统性的验证。

“解剖”月壤样品

为未来月球氦-3利用打前站

不久之前，核地研院获得的50毫克粉末样品被置于该院实验大楼一楼一间实验室的手套箱内。该手套箱与用于核酸检测的移动方舱手套设计原理相似。不同的是，该手套箱内充满氮气，科研人员穿上白大褂，将手伸进手套箱，就能利用高倍光学显微镜进行矿物学观察和分类，然后再分别利用惰性气体质谱仪、电子探针、高精度激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪等设备，相继开展氦-3含量、矿物组成、主微量元素含量等的测定，为进一步的科学研究提供原始数据。

手套箱是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足您特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。该系统是为满足客户科研开发而设计的经济型循环净化系统。整体系统包括一台密闭箱体、一套过渡舱，一台进口旋片式真空泵和一套集成有微控制器操作面板的循环净化系统。标准的Lab2000系统配备的惰性气体净化系统安装一套净化柱（全自动可再生）净化、维护手套箱箱体内的气氛。广泛应用于无水、无氧、无尘的超纯环境，如：锂离子电池及材料、半导体、超级电容、特种灯、激光焊接、钎焊、材料合成、OLED、MOCVD等。也包括生物方面应用，如厌氧菌培养、细胞低氧培养等。

（图片来源于网络）

通过研究，我们有望查明制约氦-3等聚变元素核素吸附能力的月壤成熟度等关键科学问题，初步阐明嫦娥五号月壤样品中氦-3的富集特征及机制；厘定嫦娥五号月壤样品中氦-3的逸出特性和最佳提取温度；查明月壤样品的主、微量元素含量特征及对氦-3含量的制约；为估算月球氦-3资源量和探索月球氦-3利用可行性提供科学数据支撑。

有限的月壤，无限的可能

更多科技资讯

关注伊特克斯手套箱