一．月壤重大科研突破上了新聞聯播
2024年8月22日，央視新聞報導了一個訊息：
新聞稱中國科研人員利用嫦娥5號帶回的月壤樣本，發現了大量生產水的辦法，可以1噸產生51-76千克水。形象地說，這相當於100多瓶500毫升的水。我們買100多瓶飲用水擺在在一起，視覺沖擊力還是很大的。
一 瓶礦泉水是500毫升，一提礦泉水是24瓶。50多千克水，大約就是圖上4提的瓶裝水。直觀會是，這是非常多的水，而1噸的月壤就能生產這麽多水，這對於建立月球基地是天大的好訊息。
我第一時間看到央視新聞的報導，直覺是編輯弄錯了，是不是單位換算差了個1000倍，把50克錯算成了50千克。看之前的新聞 （https://m.gmw.cn/baijia/2022-01/11/1302758762.html） ，還真有點像。
如2022年1月，中國多家科研團隊合作，發現嫦娥五號采樣區的1噸月壤裏大約有120克水，1噸巖石裏大約有180克水。這裏的水指的並不是自由的水分子 （ H 2 O) ，而是羥基即氫氧基 （-OH） 。
實際上，當我們談論月球上的水的時候，有好幾種不同的含義。
最基本的自然就是自由的水分子，能直接拿來用的。根據對美國阿波羅計劃取回來的樣品的分析，這樣的水應該含量極低。到底是多低呢？測不出來，因為在地球上處理樣品時難免會混入地球上的水，而測量值跟地球的本底值在誤差範圍內相等。這是2024年6月26日，風雲學會會長袁嵐峰博士組織嫦娥六號返回的直播時，月壤研究專家、中國科學院地質與地球物理研究所李秋立研究員解釋的。
然後是羥基，這就不是直接能拿來用的了，而是只要有一個氧原子和一個氫原子連在一起就行 （ 我們在月球的基地有多少水可用？| 科技袁人 ）。
為什麽會把這作為一種定義呢？因為它容易探測，-OH會有某種特征的振動頻率，只要用光譜方法探測到這種振動頻率，就可以認為有水。此外，-OH轉化成自由的水也相對比較容易。前面說的2022年發現嫦娥五號采樣區的含水量在120 ppm至180 ppm，指的就是這種。
最近還出現了一個新的稱呼「分子水」（ 中國科學家在月壤中首次發現分子水 ）， 這又是什麽意思呢？這指的是水合物中的水。什麽叫水合物？就是水分子跟其他物質牢固結合在一起的化合物，請註意它是純凈物，不是混合物。例如大家上中學時學過的五水合硫酸銅 （CuSO 4 · 5H 2 O） ， 它就是一種藍色的水合物。水在裏邊是以分子的形式存在，但水分子又跟銅離子緊密地配位，所以跟自由的水不是一回事，它不能喝。透過加熱等辦法，可以打破這種配位，把水分子釋放出來，藍色的五水硫酸銅變成白色的無水硫酸銅，這樣得到的水就是自由的水了。2024年7月，中國科學家在嫦娥五號帶回的樣品中發現了一種富含水分子和銨離子 （NH 4 ＋ ） 的未知礦物晶體——ULM-1，這是首次在月壤中發現分子水。跟羥基一樣，這也不是能喝的水。
基於以前這些資訊，我的第一反應是，是不是新聞裏把單位搞錯了？這次是不是找到了辦法，把1噸月壤中的120克羥基弄出來50多克水，而不是50多千克？
2022年9月央視新聞的另一個報導中，中科院對月壤中的「太陽風成因水」進行了測量估算，水含量至少為170 ppm。1個ppm是百萬分之一，從數量級上看，這生產不了50千克水。我猜測，是不是新聞報導計算出問題了，把ppm當成千分之一產生了誤會。
但是說實在的，如果是這樣的錯誤，就過於離譜了。我發出微博表示疑問後，不少讀者都指出，這說的不是收集水分子，而是有新的化學反應生成了水。
央視新聞的視訊報導過於簡略，詳細的文字報導其實也有 （http://news.cnnb.com.cn/system/2024/08/22/030609779.shtml） ：
1噸月壤可產生100多瓶水!中國科學院寧波材料所重磅研究成果釋出-新聞中心-中國寧波網 (cnnb.com.cn)
中國科學院寧波材料所研究員王軍強（右一）和團隊成員
這篇報導更為詳細了，我看了之後「解除了懷疑」。原來是中科院寧波材料所的重大成果，學術帶頭人是王軍強研究員。文中報導的資訊是足夠的，從新聞意義上排除了低階錯誤。
「科研人員發現，月壤礦物由於太陽風億萬年的輻照，儲存了大量氫。在加熱至高溫後，氫將與礦物中的鐵氧化物發生氧化還原發應，生成單質鐵和大量水。當溫度升高至1000℃以上時，月壤將會熔化，反應生成的水將以水蒸氣的方式釋放出來。」
月壤中氧元素不會缺，關鍵是氫原子。上面這段文字解釋了月壤中氫元素的來源。
「經高分辨電子顯微鏡、電子能量損失譜、熱重、磁性、元素價態、元素成分檢測等多種實驗技術分析，研究團隊確認1克月壤中大約可以產生51 - 76毫克水（即5.1% - 7.6%）。」
這段解釋了具體的數值計算辦法，是1克月壤可以產生51 - 76毫克。實驗團隊會得到少量寶貴的月壤，用1克作實驗是合理的。而且文章也被中國主辦的國際學術雜誌【The Innovation】接收了，應該不會有低階錯誤。
研究發現，月壤中的鈦鐵礦 （FeTiO 3 ） 含氫量最高。有趣的是，地球上的鈦鐵礦反而生產不了多少水。王軍強進一步解釋了氫在月壤中的儲存機制。
有了這個神奇的重大發現，月球水資源開發利用也就開啟了思路。下圖就是王軍強團隊提出的一種設想。
透過加熱月壤收集月球水的原位開采與利用策略示意圖
「首先，透過凹面鏡聚焦太陽光加熱月壤至熔融。加熱過程中，月壤將會與太陽風中註入的氫反應生成水、單質鐵和陶瓷玻璃。隨後，產生的水蒸氣冷凝並被收集在水箱中，這可以滿足月球上人類與各種動植物的飲水需要。接著，透過電分解水可以產生人類呼吸需要的氧氣，以及可以作為能源使用的氫氣。」
看上去，這是一個非常漂亮的產生大量水、氧氣的辦法。有了水和氧氣，人類能夠生存的月球基地就有了最重要的條件。
這個科研突破確實非常重要，甚至可以說是月球開發探索中迄今為止最大的突破。當晚的新聞聯播也介紹了這個好訊息。
我解除了對「低階錯誤」的懷疑，但還是有些拿不準，因為這訊息好到難以置信。雖然科學上似乎說得通，但是這結果還是太好了。
科研中常見，實驗中因為一些未知因素或者誤差的幹擾，得出了非常好的結果，但仔細排查之後，就發現結果並沒有那麽好。如地質勘探找石油，初步的數據收集可能會報告非常高的儲量，但之後更為精準的探測就發現儲量大幅縮小。
一些從事科研工作的朋友，看了新聞後，紛紛表示有疑問。袁嵐峰會長組織風雲學會，讓許多科研工作者能跨學科方便地交流，有什麽科技事件，我們往往能聯系到直接研究者。這個好處立刻體現了，我們迅速聯系到了王軍強本人，一起探討。
這些較為深入的專業討論，能夠對非專業的新聞工作者的報導，進行有益的補充。
二．【月球鈦鐵礦透過與內源氫反應大量產水】論文與探討
這篇論文的標題叫做【月球鈦鐵礦透過與內源氫反應大量產水】 （Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen）（https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0） ，8月22日剛剛上線。我們將論文與相關討論資訊介紹一下。
要點有：
l 以創新生產法用月壤產出的水量，是月球中自然水 （OH與H 2 O） 含量的10000倍，所以這是一個令人震驚的好結果。
l 閱讀了論文、並與王軍強討論的學者們，普遍對結果有不少質疑。最大的質疑在於，氫原子似乎太多了。1噸月壤能產生50千克以上的水，這個比例看起來不高，但氫原子非常輕，所以從原子數量的角度來看，這意味著氫原子在所有原子中占的數量比例非常高。鈦鐵礦 （FeTiO 3 ） 的分子量是152，水的分子量是18，一個水分子裏含兩個氫原子，所以品質比5.6%的水意味著每個鈦鐵礦分子式對應的氫原子數是2 × 0.056 × 152 / 18 = 0.95。新聞裏王軍強說，「每個鈦鐵礦分子 （FeTiO 3 ） 可以吸附4個氫原子，是名符其實的月球‘蓄水池’。」跟這個估算是對應的。但月壤中居然會有這麽多氫原子，這本身就是令人震驚的。雖然有太陽風帶來氫原子，但會帶來這麽多嗎？因此從經驗上看，這個成果的確認還需要時間。提出這樣深入的疑問需要相當深入的專業知識，新聞行業難以判斷也是正常的。
l 非同尋常的結論需要非同尋常的證據。如果這個結論得到確認，即月壤中確實有這麽多氫，那麽這會是諾貝爾獎級別的成果。
l 王軍強表示，相關的質疑，團隊都有考慮，對結果有信心。因此，並不是說這個結果就一定有問題，而是需要更深入的討論、更紮實的實驗證據，來證實或者證偽它。王軍強鼓勵有興趣的學者，也來申請嫦娥五號帶回的月壤樣本，進行實驗復現。從這個意義上來說，這是中國學者特有的方便。
技術細節有：
l 實驗生產的水量，並非直接收集了水稱重測量出來的。論文中是透過種種測量數據，間接計算出來的，有很長的推理鏈條。中間有幾個很強的假設，而這些假設，需要更多直接的證據。這個計算過程會不會有問題，是否有遺漏，確實容易產生質疑。
l 實驗的基本原則是，對物品加熱反應，產生水蒸汽等化學物質。透過多種先進的儀器，統計訊號、確認水的生成。前後稱量，少掉的數值，也就是「燒失」部份，就是水。
l 有的學者懷疑，這個測量過程可能有問題。如過程中有可能會產生氧氣，也會跑掉。而氧氣的來源，可能是在鉑催化的情況下，從氧化鐵分解而來。質疑的學者建議，用質譜儀分析燒失的瓦斯到底是水還是氧氣。
l 對於結果估算，也許有更直接的驗證辦法。例如對氫原子非常敏感的核磁共振實驗，應該能提供更好的判定證據。如果測出來氫原子遠沒有這麽多，那麽結果自然是不能成立的。不過對於這種方法，王軍強回應說，月壤有磁性，核磁訊號會被幹擾，無法測量。
個人感覺，學者們的質疑是值得重視的。對於特別重大的科研成果，提出質疑，要求更多確實的證據，是科研活動中良性的交流。而中國已經有條件自主地進行更多測試，提供更多數據。
如果最終月壤生產水的重大科研成果得到確認，這會是我們都非常樂意看到的重大進展。如果進一步的實驗說明，成果沒有這麽重大，那也是常見的後續。無論如何，相關的實驗與推理過程，能讓人類對月壤加深理解。
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■ 作者簡介
陳經
中國科學技術大學電腦科學學士，香港科技大學電腦科學碩士，科技與戰略風雲學會會員，【中國的官辦經濟】作者。
