月球上确实存在水冰，但它远非科幻作品中那种可供直接凿取的大块冰层。真实的月球水冰是一种极度分散、含量极低、以“脏冰”形式混杂在月壤中的资源，主要分布在月球两极永久阴影区的极寒撞击坑内。
存在形态与含量：是“脏冰”，不是冰层
月球水冰并非纯净的固态冰体。水分子主要以两种方式存在：一是散布在月壤颗粒的孔隙中；二是与矿物颗粒表面结合，以羟基等形式存在。这种混合物被通俗地称为“脏冰”。
其含量极低。以嫦娥五号采样区的数据为参照，月壤中的水含量在百万分之一百二十（120 ppm）以下，古老岩屑中略高，约180 ppm。换算下来，一吨月壤中仅含几十至一百多克水，比地球上最干燥沙漠的沙子含水量还要低至少一个数量级。雷达探测也支持这一判断，水冰可能以米级碎块形式混杂在数米至十米深的月壤中，没有证据支持大面积层状冰的存在。
分布与保存：依赖“冷阱”
水冰能够留存，全靠月球极区的“永久阴影区”。月球自转轴倾角极小，极区一些深撞击坑底部数十亿年不见阳光，温度可降至零下200摄氏度以下，局部甚至比冥王星表面更冷。在这样的“冷阱”中，水分子热逃逸速率极低，得以长期保存。
但冷阱并非均匀覆盖。即便在同一个永久阴影坑内，热辐射分布也不均匀，水冰的稳定区域呈斑块状分布，而非铺满整个坑底。例如对沙克尔顿撞击坑的模拟研究就显示了这一点。
探测进展与挑战
确认水冰的存在经历了漫长的过程。2009年，NASA的LCROSS任务通过撞击月球南极卡比厄斯坑，在溅射物中探测到了水，这是较早的直接影响证据之一。印度“月船一号”的雷达数据也曾提示北极撞击坑内可能存在水冰。
目前最受关注的是中国的嫦娥七号任务。它计划前往月球南极，采用“四器一星”组合，其中飞跃器将搭载水分子分析仪，直接从阳光照射区飞入沙克尔顿撞击坑底部的永久阴影区，进行就位探测。这将是人类首次尝试在月球永久阴影区内直接确认水冰的存在与形态。
即便找到水冰，利用也面临巨大挑战。永久阴影区极低温、无光照，现有遥感手段难以准确判断水冰的分布与形态。开采思路目前主要考虑加热月壤使水冰升华为水蒸气再收集，但在那种极端环境下如何实施，仍是待解的工程难题。
为何重要
如果未来能够经济地开采，月球水冰的价值在于：水可直接支持生命，电解后产生的氢和氧可作为火箭推进剂，使月球成为深空探测的“太空加油站”，从而大幅降低任务成本。这也是当前多国探月任务聚焦月球南极的核心动因之一。