月壤造水知多少

姬扬

2024.8.28

月亮上没有水，这基本上是常识了。但是自嫦娥奔月以来，情况已发生了很大的变化，“问讯吴刚何所有，吴刚捧出桂花酒”，既然连酒都酿出来了，水应该也会有的吧？

2024年8月22日，有科学新闻说：我国科研人员利用嫦娥5号带回的月壤样本，发现了大量生产水的办法，可以1吨产生51-76千克水。

我国科学家发现月壤生产大量水的新方法

这个成果显然意义重大，但是与我们的常识有冲突：过去多年的科学报道和科普宣传告诉我们，月球上几乎没有水。现在突然说，1吨月壤就可以产生几十公斤水，反差太大了。到底为啥呢？简单介绍一下。

以前说的月球上没有水，指的是缺少我们熟悉的那些形式的水，不管是液态的水、固体的冰还是气态的水蒸气，甚至连我们初中化学课里学过的那种结晶水都没有。结晶水不是液态水，而是结合在化合物中的水分子。比如说，五水硫酸铜（CuSO4·5H2O）是蓝色的粉末晶体，加热到一两百度就会脱水，变成无水硫酸铜（CuSO4）的白色粉末。此前的研究工作表明，这些形式的水，在月球上都没有——好吧，也许在月壤中有万分之几的含量，但是我们就不抬这个杠了。

五水硫酸铜（左）和无水硫酸铜（右）的颜色明显不一样。

前几天发布的这个科学新闻说的是，利用嫦娥5号带回的月壤样本，能够得到重量比大约5%的水，这可是了不得的事情。百分之几比万分之几，可是差了几百倍呢。

需要特别注意的是，这个工作说的是：月壤里有足够多的氢原子和氧原子，但是它们的存在形式与我们日常熟悉的水没有任何关系，只是在适当的条件下，它们能够发生化学反应，形成水，而且量还不少。

举个例子就清楚了。在下面这两张照片里，左边的是保温板，右边的是铁矿石，它们都跟水没有关系。我们平时看到它们，也不会联想到水。但是，保温板是聚苯乙烯（(C8H8)n）材料，里面包含了大量的氢原子，铁矿石通常包括磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）和菱铁矿（FeCO3）等，包含了大量的氧原子。只要你把它们交给化学家，分分钟给你变出水来，信不信？这就是最简单的氧化还原反应——当然，发生反应的条件可能不简单，投入的成本可能会很大，但是跟把水运到月亮上，这些都不算事儿啊！

保温板（左）和铁矿石（右）

还有一点需要指出的是，这次新闻报道提到的工作，只用了很少一点点月壤，耗费的量只有几十毫克（上次你剪手指甲的时候，剪下来的那一小片指甲，可能就不止这个量了）。用这么微小的样品，做各种精细的测量，是非常困难的。虽然说最后的结论是，可以产生重量比大约5%的水，但是实际上并没有得到哪怕一滴水甚至一丝水蒸气，因为实验条件不允许收集这些产物。

再说一遍，实验可能是用十几毫克的月壤产生了一两毫克的水蒸气，但是并没有收集到任何实物，5%的产量只是科学推论，尽管是相当严谨的推论。至于说，1吨月壤可以产生51-76千克水，就更是美好的预期了，因为嫦娥5号带回来的月壤总计还不到两公斤。至于说文章里提到的月球造水方案，现在只能说，确实比科幻小说要实际多了。

即便如此，这个结果也是非常惊人的，意义显然特别重大。那么，为什么以前没有报道呢？

首先，月壤样品可能太少了。在嫦娥5号采样归来以前，国内只有一克样品，还是美国几十年前赠送的；国外的样品总量虽然挺多，但是真正分出去让人研究的，可能也不多。

美国曾经赠送我国1克月壤样品

其次，以前的测量技术也许不够精密。月壤的研究基本上都是无损测量，因为样品很宝贵，所以分给你的量很少，你可以用它测这个测那个，但是不能把它用掉了，用掉了就没有了，谁也不敢冒这个险。这次工作拿到的样品大概是几克，最后耗费的可能是几十毫克，这个估计也是咬紧牙关才下的决心了。如果今天你把一卡车月壤送到我们村子里，下星期我就可以告诉你它的各种性质——从来就没有这么简单的任务啊！

阿波罗和嫦娥的登月地点不一样

这个结果还不一定对啊。前两天才报道出来，虽然经过了好几年多方面的研究，虽然经过了好几轮长时间的同行评议，虽然发表在高水平的国际期刊上，虽然得到很多媒体的广泛报道，但是我们还是要承认，这个工作需要经过进一步的独立检验。

我读了这篇工作对应的科学论文，发现其中的数据是自洽的，虽然给人的感觉是撑得很满，但是也没有明显矛盾的地方。如果说我还有更具体的怀疑，那就是下面这张图了（来自于论文的图2B），他们用电子能量损失谱测量了月壤里五种主要成分的氢原子含量：主图里是单位质量的各种成分中所含的氢原子的数量（这个应该是首次得到的结果吧），插图是各种成分所含氢原子量占月壤含氢原子总量的百分比（以前已经有人测过月壤各种成分的质量百分比了）。加热月壤到1000多度、发生化学反应以后，月壤会损失一些重量，大概5%，他们认为损失的质量全是因为水蒸气跑了，所以就可以推断月壤中氢原子的绝对数量。但是问题在于，刚才那个主图里的测量单位是“任意单位”a.u.，其实只能做相对的比较，如果跑掉的东西不是水蒸气（比如说就有人猜也许是氧气呢），那么他们的结论就会有问题了。

用电子能量损失谱测量月壤里五种主要成分的氢原子含量（来自于论文的图2B）：主图里是单位质量的各种成分中所含的氢原子的数量，插图是各种成分所含氢原子量占月壤含氢原子总量的百分比。

我的最大疑问在于，根据这个工作可知，月壤中氢原子的数目百分比可能高达15%，而质谱的测量是相对比较简单的，为什么以前没有听说过这方面的报道呢？也许是我孤陋寡闻，也许是其他研究者没有朝这方面想、瞄着这个做，但总是感觉有些奇怪的。

关于氢原子的来源，他们也有些猜测，认为有可能来自于太阳风，因为太阳风里包含了很多氢原子或者质子。我估计了一下，如果只依赖太阳风产生月壤里的氢原子，如果简单认为月球表面以下10厘米之内的氢原子都来自于太阳风的话，那么从零积攒到现在这个浓度，大概只需要几十亿年也就够了。既然月球和太阳的年龄都有几十亿年，所以这件事也不是完全不可能。

太阳风从哪里来？太阳风从太阳来。

至于说，以前的月壤样品为什么没有观察到这个结果，也许是因为月壤的成分在不同的地点有差别。西哲有言：参差百态乃幸福之源。也许这次就是幸福来敲门了呢。

至于说这样的可能性：月球各地的月壤成分大致相同，只是太阳风作用的结果随纬度有差别，恐怕就相当不可能了。一个原因是，各个登陆点带回来的影像表明，不同地方的月表差异很大；另一个原因是，太阳风还是相当均匀的，随纬度的差别最多依赖于维度的余弦，嫦娥5号登陆的纬度最高，大约是北纬43度，而阿波罗虽然主要在赤道附近的，但是也曾经到过南纬20度和北纬26度，所以这个差别最多也就是50%，根本不算事儿。

所以呢，月壤造水这个工作，很好很重要，但是结论很惊人，肯定需要进一步的验证。我想，世界上能够拿到月壤样品的团队还很多，可能有些人已经开始用各种方法检验自己的样品、并与这次发表的结果做比较了。我们普通人只需要耐心等待就可以了。我觉得应该也不会等太久的。估计今年结束之前，就会有独立的新结果出来。

至于说现在呢，我还是有些怀疑。而你呢？你当然可以因看见我的文章才相信，但是那没有看见就信的，有福了。

来源: 风云际会（合肥）文化传播有限公司

内容资源由项目单位提供