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中国科学家发现大量氦-3气泡被月壤玻璃捕获和保存

已有 1400 次阅读 2022-6-9 20:55 |个人分类:月壤 氦三|系统分类:科研笔记

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。

-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。

-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,从二十世纪末开始,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-3资源至关重要。

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,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。

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Materials Futures期刊DOI:10.1088/2752-5724/ac74af。本工作由中科院物理所汪卫华院士、航天五院杨孟飞院士、南京大学邹志刚院士领衔的月壤物性研究及综合利用项目团队完成,月壤样品编号CE5C0400。中科院宁波材料所王军强研究员、霍军涛研究员、许巍副研究员和中科院物理所白海洋研究员为共同通讯作者。宁波材料所李傲、陈霄、宋丽建博士和陈国新博士为共同第一作者。

 

                                              月壤.png

1、(aEDS显微图,一颗形似康乃馨花的月壤钛铁矿颗粒(花托部分)和粘接的胶结物质(花冠)。(b)透射电镜下观测到的一个氦气泡的放大图,红色为Fe元素分布情况。(c月壤钛铁矿表面形成了玻璃层,氦气泡主要在玻璃层中。(d)图(c)中不同位置的电子能量损失谱曲线

 




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