专家:氦-3在月球上是以什么形式储藏的

中国科学院宁波材料技术与工程研究所网站6月10日消息,月球为何拥有丰富的氦3战略资源?氦3以什么形式储存在月球上?如何原位开采氦3?最近的研究发现,月球玻璃在捕获和保存氦 3 气体方面起着关键作用。

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-3作为氦(元素周期表中的第二个元素)的同位素,在能源和科学研究领域具有重要的应用价值。例如,作为受控核聚变的燃料,氦3核聚变产生的能量是采矿和铀235核裂变反应所需能量的250倍(约12.of 20))。@>5 次。100吨氦3核聚变产生的能量可在全球使用1年,而且氦3核聚变过程没有中子二次辐射的危险,更清洁、更可控。此外,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必不可少的材料。

-3 是太阳风的重要组成部分。由于常年太阳风的照射,月球储存了大量的氦3。但为什么月球拥有丰富的战略资源氦3呢?氦3以什么形式储存在月球上?这些问题没有明确的答案。探索月球资源,特别是氦3的含量、分布和开采,已成为当前国际深空探测的必然趋势和主要任务。因此,20世纪末以来,全球掀起了新一轮探月“淘金热”,将探月工程和科学研究推向了新的高潮。然而,如何就地高效开采氦3仍是一个科技难题。以往的研究认为,氦3溶解在月球土壤颗粒中,氦3的提取受扩散速度的限制,需要700℃以上的高温,不仅耗能大,速度也慢,这不利于在月球上就地开采。因此,证明氦3在月球土壤中的储存形式对于了解月球如何捕获氦3以及未来如何开发利用氦3资源至关重要。

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嫦娥五号采集的月球样本(月球土壤)

近日,中科院宁波材料技术与工程研究所、五院钱学森实验室、中科院物理所、南京大学联合团队进行了检测研究嫦娥五号月球土壤颗粒中的氦原子。发现月壤钛铁矿颗粒表面有一层无定形玻璃。研究人员利用高分辨率透射电镜结合电子能量损失光谱法观察到玻璃层中有大量氦气泡,直径约5-25 nm,大部分气泡位于两层界面附近。玻璃层和水晶。在颗粒内部的晶体中,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,氦原子首先通过太阳风注入钛铁矿晶格,然后通过晶格的通道扩散效应逐渐释放。表面玻璃具有原子无序的堆积结构,限制了氦原子的释放,氦原子被俘获并逐渐储存,形成气泡。

玻璃状材料特殊的无序原子堆积结构具有极高的稳定性。例如,玻璃状琥珀可以保存生物标本数亿年,氧化物玻璃可以保存核废料数千年。这项工作表明,钛铁玻璃也非常稳定,可以捕获和保存月球上丰富的氦 3 资源。

工作表明,机械破碎法有望在室温下提取以气泡形式储存的氦3,而无需加热至高温。此外,钛铁矿具有弱磁性,可以通过磁筛与其他月球土壤颗粒分离,便于在月球上进行原位开采。通过进一步计算,研究人员发现气泡中氦原子的数量密度达到了50-192 He/nm3,具有极高的压力。根据月球上钛铁矿总量的估算,以气泡形式储存的氦3总量可能高达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。这些结果不仅为氦3在月球上的富集机制提供了新的见解,

该工作以“玻璃:和月球上的气体”为题发表在“材料未来”杂志上(,DOI:10.1088/2752-5724/)。该工作由中国科学院物理研究所王卫华院士、航空航天五院杨孟飞院士、中国科学院邹志刚院士领衔的月球土壤物性研究与综合利用项目组完成。南京大学。月球土壤样本已编号。中国科学院物理研究所王俊强研究员、霍俊涛研究员、徐伟副研究员和白海洋研究员为共同通讯作者。宁波材料科学研究所李敖、陈晓、宋立坚博士、陈国新博士,

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图1、(a) EDS 显微照片,月球钛铁矿颗粒(容器部分)和胶凝材料(花冠)类似康乃馨花;(b) 透射电镜下观察到的氦气泡放大图,红色为Fe元素的分布;(c) 月球钛铁矿表面形成玻璃层,玻璃层内主要有氦气泡;(d) (c) 曲线中不同位置的电子能量损失谱。资料来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所

(王俊强 中国科学院磁性材料与器件重点实验室)

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