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月壤玻璃:捕获和保存氦-3气体的关键物质

来源:字节点击  

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?如何原位开采氦-3?最近研究发现月壤玻璃在捕获和保存氦-3气体中发挥了关键作用。

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。

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。因此,从20世纪末开始,全球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。

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5~25nm,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。获 取 更多前沿科技研究 进展访问:http://byteclicks.com

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。

工作表明,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。通过进一步计算,研究人员发现气泡中的氦气原子的数密度达到50-192 He/nm3,具有极高的压力。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。

该工作以“Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon”为题发表在《材料未来》期刊(Materials Futures)。

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关键词: 研究人员 战略资源 中国科学院

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