月球土壤掀起 再生能源革命风暴｜星岛教室

我是月球土壤，数十亿年来，我目睹太阳升起又落下，感受过无数次太阳风暴的洗礼。然而，一场改变命运的旅程开始了。伴随着咆哮的探测器，我离开月球，跨越38万公里的距离来到了地球。对于我来说，这里的一切都新奇而不可思议。当科研人员将我从封闭的容器中取出时，我期望他们能在我身上找到足以改变地球未来的秘密，因为我正准备为人类点燃一场再生能源的革命风暴！

延伸阅读：明末三案｜梃击案/红丸案/移宫案 皇朝覆灭前奏｜星岛教室

中国探月工程

这趟旅程，源于让世界瞩目的中国探月工程的成就。自2004年启动「嫦娥工程」以来，中国一直致力于探索月球的奥秘。「嫦娥工程」分为「绕」、「落」、「回」3个阶段，旨在实现探测月球的全方位突破。「绕」月阶段的「嫦娥一号」和「嫦娥二号」成功完成了月球探测和测绘；「落」月阶段的「嫦娥三号」和「嫦娥四号」实现了登陆，后者更是全球首次成功在月球背面着陆；而「回」的阶段，「嫦娥五号」成为第一个为中国带回月球样本的任务，「嫦娥六号」更完成全球首次从月球背面带回月球土壤的壮举！

2020年12月，「嫦娥五号」成功将1731克月球土壤带回地球，这是自1976年苏联「月球24号」以来，人类再次从月球取回样本。这次任务不仅展示了中国在航天领域的技术突破，也为人类探索月球资源提供了重要契机。当我被送进实验室时，科学家们开始了一系列的研究，试图揭示我蕴藏的秘密。

「氦-3」解决能源危机

我其中1克的月壤最终被送到中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队，他们发现当中的钛铁矿颗粒表面存在一层「月壤玻璃」，通过高分辨透射电镜结合电子能量损失谱法，团队观察到玻璃层中有大量直径大约5至25nm氦气泡，它是一种非凡的元素——氦-3。这种稀有的氦同位素，可能是解决地球能源危机的潜在答案。

氦-3是一种稳定的同位素，含有2个质子和1个中子。与常见的氦-4不同，氦-3最大的特性在于它能够用于「核聚变」反应，而不会产生高放射性的副产物。

「核聚变」是一种模仿太阳发光发热的过程，通过将轻元素的原子核融合成更重的原子核来释放巨大的能量。与目前核裂变技术相比，核聚变被认为是更干净、更安全的能源选择。

由于氦-3放射性低，可用于一些特殊的医学成像技术，如磁力共振扫描（MRI），以及低温物理学及量子物理学等领域上。

延伸阅读：无处不在的机械原理｜星岛教室

3大优势

氦-3是最备受期待，作为未来核融合的燃料，因为与传统能源相比，氦-3具有以下显著优势：

1. 清洁无污染：氦-3核聚变不会产生高放射性废料，避免核裂变技术的环境风险。
2. 高能量密度：氦-3核聚变的能量密度极高，1公斤氦-3的核聚变能量，相当于数百万桶石油。
3. 可持续性：月球表面的氦-3资源足以支持人类数千年的能源需求，为解决地球能源危机提供了长期解决方案。

月壤氦-3来源及提取

地球上的氦-3含量极少，主要是因为地球的大气层和磁场屏蔽了来自太阳风的氦-3。月球就大大不同了，月球没有大气层和磁场，直接曝露于太阳风中。数十亿年来，太阳风暴中的氦-3粒子沉积在月球表面，形成了丰富的资源。据估计，月球表面至少蕴藏100万吨氦-3，其中仅需约25吨氦-3便足以满足全人类一年的能源需求。

以往研究认为提取氦-3的过程相对复杂，需要将月球土壤运回地球，或者在月球上建立设施，将月球土壤加热到700℃至900℃才能释放氦-3。这技术不但耗能较高，而且速度慢，不利于在月球上开采。

不过这次研究人员发现，有望不需要高温加热，在常温下通过机械破碎方法提取以气泡形式储存的氦-3。

而且钛铁矿颗粒具有弱磁性，可以利用磁力去筛选，与其他月壤颗粒分开，有利达到在月球上原地开采。

研究人员估算，月球上以气泡形式储藏的氦-3总量或高达26万吨，如果全部以核聚变产生能源，已经可以足够地球2600年的能源需求。

延伸阅读：赵孟𫖯 才华洋溢的书画家｜星岛教室

开发与使用难题

氦-3的使用亦有不少挑战。首先，从月球开采氦-3，需要巨大的经济投入与技术支持，从发射探测器到建设月球基地，再使用精密的机器和设备进行采样，每一步都极为昂贵，而这种高度自主化的技术和精密控制技术，相对现有的技术水准来说仍然是一个巨大的挑战。即使能够成功采集氦-3，亦须使用昂贵的运输技术和设备，如太空飞行器和返回舱才能带回地球。

第二个难题，就是开采氦-3技术的难度和风险，开采过程需要解决很多技术问题和安全隐患，如月球环境中的辐射、温度变化、尘埃和电磁干扰等，而且核聚变技术尚未完全成熟，人类仍要努力攻克稳定且可控的核聚变反应。

最后，月球资源开采涉及国际法规与伦理问题，如何在国际社会中达成共识，确保资源的公平分配，也是未来需要解决的课题。

作为到访的月球土壤，我见证了人类对再生能源的无尽追求。氦-3的发现，让人类在能源领域看到曙光，或许有一天，月球将成为人类的再生能源基地，为地球输送源源不绝的清洁能源。人类不懈的探索，让我相信这一天终会到来！

小思考，大智慧

1. 在月球土壤还有没有发现甚么有利于人类生活的元素？
2. 「嫦娥五号」跟「嫦姨六号」提取的月球样本有甚么分别？

参考答案

1. 经过多年研究，中国科学院团队于2024年发现，使用「高温氧化还原反应」的方法，可以在1吨月球土壤中产出超过50公斤的水，即足以供应50人一天饮水量。这些水亦可用于灌溉植物，以及透过电化学方式分解成氢气和氧气。
2. 「嫦娥五号」的月球样本是从月球正面采集的，而「嫦娥六号」则是从月球背面采集回来；另外，「嫦娥五号」的取样区域是月球地质年龄最年轻的区域，而「嫦娥六号」则选择在月球最古老的南极——艾特肯盆地取样。

文：中华基督教会协和小学（长沙湾）副校长郑俊杰、中华基督教会协和小学（长沙湾）老师王溢濠

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。