年轻的科研团队合影,后排居中戴蓝色手套者,手中捧着月壤样品。中科院宁波材料所供图
(资料图片)
月壤安安静静地“躺”在一个小小的玻璃瓶里,被一个特殊的真空罩罩起来。那么小小一团,甚至没有铺满小玻璃瓶的瓶底,重量仅有1克,看上去“有点儿像一团灰”“毫不起眼”的月壤,却可能会改变整个地球未来的能源走向。
嫦娥五号从月球带回的月壤,被分给一些科研机构做研究。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。
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。
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。
这次,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,直径大约为5-25纳米(1毫米等于1000微米,1微米等于1000纳米——记者注),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。
中青报·中青网记者采访得知,中科院宁波材料所的这个研究团队,是一支年轻的科研团队。12位老师都是80后,学生有20人左右。团队负责人王军强研究员说,兴趣和坚持是科研成功之路的关键。
王军强大学毕业时,决定考取中科院物理所的研究生,这是中国物理研究水平最高的地方之一。王军强读博期间,经常做通宵实验,所以第一年下来,导师说他是实验花销最多的学生,但导师并不是在抱怨,而是以一种愉悦的口气在跟他说。这次,为了完成月壤研究任务,团队也是经常通宵做实验和分析数据。最终,功夫不负有心人,他们获得了一些关键性的成果。
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。
研究工作有时候是很难看到明晰的方向或者结果的,许多颠覆性的、创新的研究,需要等上几年甚至几十年才能发挥作用。
“研究工作很有挑战性,幸运的是我们走上了一条成功的路。”团队成员、中科院宁波材料所副研究员许巍说。
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