根据中科院宁波材料技术工程研究所网站6月10日的消息，月球为什么富含战略资源氦-3？氦-3在月球上以什么形式储存？氦-3如何就地开采？最近的研究表明，越阳玻璃在捕获和保存氦-3气体方面发挥着重要作用。
氦-3是氦(元素周期表的第二个元素)的同位素，在能源、科学研究等领域具有重要的应用价值。例如，作为可控核聚变的燃料，氦-3核聚变产生的能量是开采所需能量的250倍，是铀-235裂变反应(约20)的12.5倍。100吨氦-3核聚变产生的能量在全球供应一年，氦-3核聚变过程中没有中子二次辐射危险，因此更加干净和可控。此外，氦-3是获得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所需的物质。但是地球上的氦主要是氦-4，氦-3储量只有0.5吨左右，无法满足现有的需求。
氦-3是太阳风的重要成分，月球常年被太阳风调查，储存了大量氦-3。但是为什么月球富含战略资源氦-3呢？氦-3在月球上以什么形式储存？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，全球范围内开始了新一轮的月球“淘金热”，月球探测工程和科学研究达到了新的高潮。但是如何在原地高效开采氦-3是科学和技术的难题。过去的研究表明，氦-3溶于月阳颗粒，提取氦-3受到扩散率的限制，需要700以上的高温，不仅能耗高，而且速度慢，不利于在月球上原地开采。因此，查明月阳中氦-3的储存形式，对于理解未来月球如何捕捉氦-3、如何开发氦-3资源至关重要。
嫦娥五号采集的月亮样品(月阳)
最近，中国科学院宁波材料技术工程研究所、宇宙五院钱学森研究室、中国科学院物理研究所、南京大学等联合小组对嫦娥五号月阳粒子中氦原子进行了探测和研究。发现岳阳中钛铁矿颗粒表面都有非晶质玻璃。研究人员通过高分辨率透射电镜，结合电子能量损失谱法，在玻璃层观察到大量氦气泡，直径约为5~25nm，大部分气泡位于玻璃层和晶体的界面附近。粒子内部晶体中几乎没有氦泡。考虑到氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子将首先被太阳风注入钛铁矿晶格，然后根据晶格的通道扩散效应逐渐释放氦。表面玻璃具有原子无序的累积结构，限制氦原子的释放，被抓住并逐渐储存，形成气泡。
玻璃态的特殊无序原子积累结构具有很高的稳定性。比如玻璃琥珀可以保存生物标本数亿年，氧化物玻璃可以储存核废料数千年。这项工作表明，钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性，并在月球上捕获和保存了丰富的氦-3资源。
通过机械粉碎方法，有望在室温下提取以气泡形式存储的氦-3，不需要加热到高温。此外，钛铁矿具有弱磁性，通过磁筛选可以与其他月球土壤颗粒分离，便于在月球上进行现场开采。通过进一步计算，研究人员发现气泡中氦原子的水密度达到50-192 He/nm3，受到了极高的压力。根据月球上的钛铁矿总量，以气泡形式储存的氦-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。这些结果不仅为月球上氦-3的子集机制提供了新的见解，而且为今后月球氦-3的现场开采利用奠定了理论基础，对探索月球资源的有效利用途径具有重要意义。
此操作在标题为“taking advantage of glass:capturing and retaining of the helium gas on the moon(taking advantage of glass:capturing and retaining of the helium gas on the moon)”的日志《材料未来》中进行月阳样品号码是CE5C0400。中科院宁波财所王军强研究员、何军涛研究员、许巍副研究员、中科院物理所白海洋研究院是共同通信作者。中科院宁波所李子和天梭宋丽健博士和陈国信博士是联合第一作者。
ac14b09cecff1f11bcc3524b748.jpg” alt=”图1、（a）EDS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。 图源：中科院宁波材料技术与工程研究所” data-link=””> 图1、（a）EDS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。 图源：中科院宁波材料技术与工程研究所
