本文来自微信公众号： 上海天文馆 ，编辑：一枝花，作者：李少林
如果人类要在月球长期生活，什么东西最值得少从地球带一点？水，一定排在前列。
水当然能喝，但在一座月球基地里，它的意义远不止饮用。生命保障、植物栽培、设备运行，处处离不开水；把水电解之后，氧既可以供宇航员呼吸，也能作为火箭推进剂的氧化剂，氢则可以作为燃料或化工原料。正因为如此，水成了各国讨论月球原位资源利用时最受瞩目的对象。
然而，要利用月球上的水，首先要知道水藏在哪里、以什么形态存在；然后要把它从月壤中释放出来，或者通过化学反应真正生成出来；接下来，水蒸气还要穿过无数细小孔隙和管道，最终被冷凝器捕获、净化，再装进储罐。
更麻烦的是，所谓的月球上的“水”从来不是同一种东西，有些是真正的水冰，有些是分子水H₂O，有些是羟基OH，还有一些甚至只是太阳风注入矿物中的氢。所以，“月壤取水”听起来只是一个问题，实际上却对应着几条完全不同的科学和工程路线。
极区水冰
阿波罗计划结束后的很长一段时间里，月球一直被认为是一颗极度干燥的天体。进入21世纪后，这幅图景逐渐被改写。印度“月船一号”搭载的月球矿物绘图仪M³在月表广泛发现了约3微米的水合吸收特征，主要来自O–H键的伸缩振动，表明月表存在羟基OH和/或分子水H₂O，而且总体上越靠近高纬地区，信号越强。后来，SOFIA平流层红外天文台捕捉到约6.1微米处分子水特有的H–O–H弯曲振动信号，在受到太阳照射的月面明确识别出了分子水H₂O，估算含量约为100～400μg/g（相当于每千克物质中有0.1-0.4克水）。这说明，即使被太阳照耀的月面，也并非绝对无水。
真正有潜力形成较高品位水资源的地方，则在月球两极。由于月球自转轴倾角很小，一些极区撞击坑内部终年见不到阳光，形成所谓的永久阴影区。其中一些冷阱的年最高温度低于约110 K，水冰可以在那里稳定保存极长时间。2009年，NASA的LCROSS探测器撞击月球南极附近的Cabeus撞击坑，通过分析撞击扬起的羽流，研究人员估算被撞击物质中的水含量约为5.6±2.9 wt%。如果只取中心值，相当于每千克物质中约有56克水。
不过，这个数字不能理解成“月球南极平均有5.6%的水”。它只代表Cabeus特定撞击区域的局部结果。轨道光谱研究还显示，月球极区表面暴露的冰分布十分斑驳，只有约3.5%的冷阱表现出明确的表面水冰光谱特征。换句话说，月球两极确实有冰，但远不是随便找一座撞击坑，就能挖出一车冰来。
月球极区水冰（绿色区域）分布（图源：Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions，文献7）
太阳风送来的“隐形水源”
如果离开极区，在那些看起来干得不能再干的普通月壤里，其实还藏着另一类水资源。几十亿年来，太阳一直向外吹出太阳风，其中包含大量质子（也就是氢原子核）。地球有大气层和全球磁场保护，而月球几乎没有，因此太阳风可以直接轰击月壤，把氢注入矿物最外层的晶格缺陷和辐照损伤区。一部分氢会与氧结合形成羟基OH，在一定条件下还可以形成分子水H₂O。
嫦娥五号返回的样品，让科学家第一次能够非常细致地观察这一过程。对橄榄石、斜长石和辉石的研究发现，氢明显富集在矿物最外侧约200纳米的区域。把这些氢折算成水当量，局部最高可以达到数千μg/g。这里的“水当量”并非真实的水测量值，而是通过换算得到的。仪器测到的主要是氢，再按照化学计量关系换算成“如果这些氢都组成水，相当于多少H₂O”。它并不意味着矿物表面真的藏着同样数量、可以直接加热取出的水分子。
另一类特别有意思的载体，是撞击玻璃。月表不断遭受小行星和彗星撞击，撞击过程中释放的巨大能量会使月壤发生熔融，这些熔融组分在溅射过程中迅速冷便形成撞击玻璃珠。对嫦娥五号撞击玻璃珠的研究发现，一些颗粒中的水当量可达到约1909μg/g（相当于每千克撞击玻璃珠中有1.9克水），而且很多玻璃珠表现出从外缘向内部逐渐降低的含氢剖面，并且氢同位素特征指向太阳风来源。这些玻璃珠像一块块微小的“海绵”，接受太阳风带来的氢，又随着温度变化不断交换和释放含氢组分，参与月球表面的动态水循环。
透射电子显微镜下嫦娥五号月壤矿物表层晶格缺陷和辐照损伤区（左侧图）。损伤区与保留有序晶格排列的非损伤区之间存在清晰的界限（白色虚线）。扫描电子显微镜下嫦娥五号月壤中的撞击玻璃珠（右上图）及其水含量与氢同位素剖面（右下图）。水当量剖面（由实测氢含量换算得到）显示玻璃珠中心“水”含量低，边部含量高，说明“水”是从外部进入，极低的氢同位素比值（δD接近−1000‰）则明确指示这些“水”来自太阳风。（图源：Chang’E-5 samples reveal high water content in lunar minerals，文献9；A solar wind-derived water reservoir on the Moon hosted by impact glass beads，文献10）
问题在于，这类水总体上仍然很稀少。如果一吨月壤有几百μg/g的水当量，那么即使它们最后全部都变成可以回收的水，总量也不到1千克。既然月壤里已经有氢，而矿物本身又富含氧，能不能让它们重新组合，现场“造”出水来？
用月壤自身的氢来造水
2024年，一项基于嫦娥五号月壤的研究，使这个想法受到广泛关注。研究者特别注意到了月壤中广泛存在得到的一种矿物——钛铁矿。钛铁矿中既含铁又含氧，而太阳风带来的氢可能保存在它的晶体结构和缺陷中。如果在高温下让这些氢重新活动起来，就可能发生类似这样的反应：
FeO+2H→Fe+H₂O
也就是说，矿物中氧化态的铁被还原变成金属铁，而氢和氧结合生成水。在原位透射电子显微镜加热实验中，研究人员确实观察到钛铁矿内部出现了金属铁纳米晶，同时形成了含水气泡。这说明，在真实嫦娥五号样品中，月壤自身储存的氢确实可以参与还原反应并形成水。
随后，研究人员对更大体量的月壤进行了高温处理，并根据生成的金属铁数量以及化学反应的计量关系，推算出每克月壤潜在可以生成约51～76毫克水，换算下来，就是每吨月壤约51～76千克水。
原位月壤制水方案示意图，其中钛铁矿可能是最重要的“储水”矿物。（图源：Massive water production from lunar ilmenite through reaction with endogenous hydrogen，文献11）
不过，研究者并不是把1克嫦娥五号月壤放进反应器，然后收集到51～76毫克液态水。这个数字是根据高温实验中生成了多少金属铁，再按照化学计量关系反推得到的理论产水潜力。换句话说，实验已经很好地说明了“水可以怎样生成”，却还没有证明这些水最终有多少能够离开月壤，再真正被储水装置收集。
既然钛铁矿如此重要，它是不是未来最理想的“储氢矿物”？2025年，另一项嫦娥五号样品研究系统测量了钛铁矿最外层约100纳米厚的风化层，得到约730～3700μg/g H₂O当量。有意思的是，这些钛铁矿边缘的平均含水当量反而比同时研究的硅酸盐低约2～4倍。研究者提出钛铁矿中的太阳风氢可能并不是被牢牢“锁死”，而是进入和逸出的速度都比较快，因此更容易达到一种动态平衡。
这并不意味着钛铁矿不适合制水，而是说明评价一种矿物的“储氢能力”，不能只看某一个含氢量数字。更关键的是，太阳风氢能否进入矿物、能够保存多久，以及加热后有多少最终可以转化并收集为水。只有把这些环节连起来，才能判断钛铁矿究竟更像长期储存氢的“仓库”，还是氢不断进出、快速交换的“周转站”，也才能进一步评估它作为月壤制水原料的实际潜力。
一条研究更久的路线：给月壤通氢气
利用月壤自身的太阳风氢，是最近才受到高度关注的方向。研究历史更长的办法，则是直接给月壤通入外加氢气。以钛铁矿为例：
FeTiO₃+H₂→Fe+TiO₂+H₂O
月壤氢还原—冷指捕水实验装置示意图（图源：AI生成，改编自Hydrogen reduction of lunar samples in a static system for a water production demonstration on the Moon，文献13）
这种方法同样是在“造水”，但氢是人为输入，再尽可能循环利用。2021年，Sargeant等用真实Apollo月壤进行了实验。每份样品只有45毫克，在1000℃、约420毫巴氢气条件下反应4小时，实验生成的水蒸气被冷指捕获，随后重新释放，并根据其引起的压力变化进行定量。结果差异非常明显，富含钛铁矿的月海月壤，成水约为10600μg/g；而钛铁矿含量较低的高地月壤只有约2000μg/g。同样是月壤，因为不同的矿物组成产水能力可以相差数倍。这说明，“月壤制水”真正重要的并不是有多少“土”，而是土里究竟有什么矿物。
不过，从45毫克级样品的实验室试验走向月面大规模运行，中间还有很长的工程距离。未来若要连续处理数百公斤甚至数吨月壤，氢气循环、反应器寿命、热管理、月壤输送和设备磨损等问题，都需要逐一解决。
极区有水冰，为何也难取？
含冰月壤微波加热—冷凝集水实验装置示意图（图源：AI生成，改编自Water extraction and collection from icy lunar regolith by microwave heating，文献15）
既然极区本来就有水冰，事情是不是简单得多？找到冰，加热，让它升华，再冷凝，听起来似乎只需要一台“月球蒸馏器”。真正做实验后，人们发现，最麻烦的往往不是让冰升华，而是把水真正收回来。
2023年，一项低温微波实验使用人工制备的含冰月壤模拟样品，在约100 K的初始温度下，用250 W、2.45 GHz微波加热25分钟，最高有约67%的水从样品中释放出来（但未收集）。另一项后续微波加热—冷凝实验把水蒸气真正导入冷阱，得到的平均收集效率仅约44%。2026年的一项多物理场模拟显示，微波加热虽然能够使含冰月壤中的水冰升华，但大量水蒸气会在更冷的月壤中重新沉积，最终有效逸出的水仅占升华总量的约21.4%。
当然，这只是数值模拟结果，不能直接等同于真实月面装置的效率。但它提醒我们，水冰被加热升华，只是取水过程的第一步。水蒸气能否在真空、低温和多孔月壤中顺利迁移，是否会在更冷的区域重新凝结，以及最终有多少能够进入冷凝器并被收集，同样决定着整套系统的实际效率。
从实验室到月球水厂，还缺一条完整技术闭环
把这些研究拼在一起，我们已经拥有了不少重要的“拼图”。月球极区存在水冰，太阳风会不断把氢注入月壤，而这些氢又可能参与后续的成水反应。在嫦娥五号样品中，研究人员已经观察到月壤中储存的氢参与还原反应并形成水的微观过程。真实月壤实验则进一步证明，外加氢气也能够与月壤中的含氧矿物反应，生成可被捕获和定量的水。
但真正的月球水厂需要的，不只是其中某一个环节，而是一条完整的技术链。从“找到资源→挖掘或进料→加热或反应→生成或释放水→水蒸气输运→冷凝捕获→净化储存”，缺一不可。到目前为止，这些环节大多仍是在不同实验和模型中分别得到验证，还没有哪一条技术路线在月表完成过连续、闭环且可计量的全流程验证。
“月壤可以制水”和“月球可以造水厂”仍然是两个不同层级的问题。前者已经有越来越扎实的实验依据，后者则要等待未来的工程实践来验证。真正的月球“水厂”，最终要回答的不只是“能不能产出水”，而是需要“持续、稳定、高效地生产水”。
主要参考文献
1.Kornuta,D.,Abbud-Madrid,A.,Atkinson,J.,et al.2019,REACH,13,100026.
2.Kiewiet,L.,Fälker,S.,&Zabel,P.2025,Space and Planetary Resources,1,4.
3.Reiss,P.2024,PNAS,121,e2321065121.
4.Pieters,C.M.,Goswami,J.N.,Clark,R.N.,et al.2009,Science,326,568.
5.Li,S.,&Milliken,R.E.2017,Sci.Adv.,3,e1701471.
6.Honniball,C.I.,Lucey,P.G.,Li,S.,et al.2021,Nat.Astron.,5,121.
7.Li,S.,Lucey,P.G.,Milliken,R.E.,et al.2018,PNAS,115,8907.
8.Colaprete,A.,Schultz,P.,Heldmann,J.,et al.2010,Science,330,463.
9.Zhou,C.,Tang,H.,Li,X.,et al.2022,Nat.Commun.,13,5336.
10.He,H.,Ji,J.,Zhang,Y.,et al.2023,Nat.Geosci.,16,294.
11.Chen,X.,Yang,S.,Chen,G.,et al.2024,The Innovation,5,100690.
12.Xu,Y.,Shan,L.,Tian,H.-C.,et al.2025,Nat.Commun.,16,7610.
13.Sargeant,H.M.,Barber,S.J.,Anand,M.,et al.2021,Planet.Space Sci.,205287.
14.Cole,J.D.,Lim,S.,Sargeant,H.M.,et al.2023,Acta Astronaut.,209,95.
15.Wang,Q.,Gu,J.,Pang,Y.,et al.2026,Acta Astronaut.,238,1326.
16.Cheng,Y.,Cheng,B.,&Baoyin,H.2026,Adv.Space Res.,77,12713.
17.Farr,T.P.,Jones,B.M.,Orlando,T.M.,&Loutzenhiser,P.G.2023,Adv.Space Res.,72,614.
18.张鹏，刘光辉，刘欣，等.2024，《空间科学学报》，44，309–317.
19.张天，唐红，贺怀宇，李雄耀，周传娇，刘建忠.2023，《空间科学学报》，43，273–290.
