“月壤玻璃”为捕获和保存氦-3的关键物质

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天五院钱学森实验室、中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队，对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究。发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。研究人员在玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径大约为5～25nm，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，被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。

氦-3作为氦的一种同位素，在能源、科学研究等领域具有重要应用价值。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。

氦-3是太阳风的重要成分，月球由于常年受太阳风的辐照，储存了大量氦-3。但是为什么月球具有丰富的战略资源氦-3？氦-3在月球上是以什么形式储藏的？这些问题还没有明确的答案。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。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。

科研团队最新研究表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-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。根据月球上钛铁矿总量估算，以气泡形式储藏的氦-3总量或高达26万吨，如果全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。这些结果不但为月球上氦-3的富集机理提供了新的见解，也为未来月球氦-3的原位开采利用奠定了理论基础，对探寻月球资源的有效利用路径具有重要意义。