日期:[2022年05月17日] -- 智慧生活报 -- 版次:[A1]
用了0.2克月壤,我国科学家有了重大发现

月球上“自产”氧气和水有望了

  人类要想在月球上居住和生存,水、氧气和能源必不可少,靠地球输送始终是杯水车薪,因此,科研人员希望能从月球“土著”资源中寻找更多可能性。
  近日,中国科学家提出了月球地外人工光合成策略,利用月球土壤中的一些成分作为人工光合成催化剂,把人类呼出的二氧化碳、月球表面开采的水等制造成氧气、氢气、甲烷以及甲醇。如果能掌握这项技能,就算没有地球的补给,人类也能在月球上就地取材,生产氧气、水等生存所必需的东西,帮助人类构建月球基地和月球中继站,为更遥远的宇宙探索和星际旅行提供能源补给。

利用月壤作催化剂将水分解成氢气和氧气
  第一次用月球土壤做实验,称量0.02克,南京大学教授姚颖方“紧张得手都在发抖”。他所做的研究是利用月球土壤中的一些成分作为人工光合成催化剂,把人类呼出的二氧化碳、月球表面开采的水等制造成氧气、氢气、甲烷以及甲醇。
  两年前,NASA宣布月球表面有水分子存在,我国发射的嫦娥五号探测器通过对月壤进行原位探测,更是“实锤”了月球上有水资源存在。
  近日,由中国空间技术研究院嫦娥五号探测器系统总指挥、总设计师杨孟飞院士,中国科学院物理研究所汪卫华院士以及南京大学邹志刚院士领衔的研究团队提出了月球地外人工光合成策略。研究成果发表在国际权威期刊《焦耳》上。
“我们前期参与了中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室牵头的一个项目,叫月球表面水资源的开采和光化学转化,就是把水分解成氢气和氧气。”论文第一作者姚颖方在接受采访时说,水不仅能够供宇航员饮用,还能转化为两个“宝贝”。
  拿到嫦娥五号带回的月壤后,团队特别想看看月壤作为催化材料是否也能实现水变氢气和氧气,以及月壤能不能在二氧化碳的转化中发挥一定作用。

筛选出两种方式实现月壤高效催化
  这次获得的月壤是月球表面非常年轻的玄武岩,这种矿物中富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。“我们通过机器学习等方法,分析出月壤中大约有24种矿物成分,其中的钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石以及多种铁基化合物等8种成分都有较好的光催化性能。”姚颖方介绍。
  月壤表面本身就有丰富的微孔和囊泡结构,还能进一步提高月壤的催化性能。为了寻找最优方案,科研团队对月壤催化进行了多种尝试,来评估其性能。比如,用光伏电解水的方式实现氢气和氧气的转化,光催化水分解成氢气和氧气,光催化二氧化碳转化成一氧化碳、甲烷和甲醇,光热催化二氧化碳加氢产生甲烷和甲醇。
  最终,他们筛选出光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢这两种方式,可以实现最高的月壤催化效率,而且得到的物质更纯净。“甲烷作为一种燃料,是非常好的航天器推进剂。甲醇的用处就更广了,我们身上穿的、用的,很多有机化合物里都有甲醇作为原料,能源源不断生产甲醇意味着我们可以在月球建立甲醇化工厂,实现人类所需求的化学品。”姚颖方说
  用月壤催化得到的氧气、氢气、甲烷以及甲醇这四种物质,都是人类在月球表面生存且构筑基地和中继站所必需的物质。作为月球上最丰富的资源之一,月壤资源有着巨大的发展空间和潜力。

利用月球昼夜温差原地原位制造航天器燃料
  在这之前,科学家们已经提出了许多地外生存的策略,但是大多数设计都依赖来自地球的能源。比如,NASA在2020年发射的“毅力号”火星探测器携带的火星氧气现场资源利用实验仪器,可以用火星大气中的二氧化碳制造氧气,但该仪器依靠来自地球的同位素电池驱动,通过高温下的电化学方式来实现二氧化碳分解成一氧化碳和氧气。“他们当时设计的标准是每小时10克的氧气转化效率,但由于种种原因,最终在火星表面实现了每小时约6克的转化效率。”姚颖方表示,“效率非但不高,而且据说装置还非常笨重,很可能需要不断更换电池,这意味着要发射很多次飞船,每次发射都大大增加了载荷。”中国科学家提出的这套地外人工光合成技术相对简单,完全利用地外资源与环境来生产氧气、燃料和生存用品。
  月球晚上的温度为零下173摄氏度,二氧化碳在零下78.5摄氏度会变成干冰,所以在夜间可以将二氧化碳从人类呼出的气体中直接分离,再用月球表面开采的水资源分解出氢气和氧气,其中,氧气供人呼吸,二氧化碳则和氢气放到一起。到了白天,月球温度高达127摄氏度时,可以巧妙地实现原地原位二氧化碳加氢气转化成甲烷的过程。“这样做最大的好处是可以大幅度降低火箭发射载荷,减少飞船飞往月球甚至更远外太空所需的成本,实现可承受且可持续的深空探测。”姚颖方说。
  当今世界已经达成共识,在不远的将来,我们将进入大航天时代,而且已经有人前赴后继探索太空,比如,马斯克的SpaceX公司以及亚马逊创始人Jeff Bezos等,我国提出要建设地月空间经济区。中国科学院院士、国际宇航科学院院士包为民估计,到2046年,我们每年在地月经济区的总产值至少将达到10万亿美元的量级规模。

为外星生活提供零能耗的生命保障系统
  2021年7月12日是姚颖方一生都难以忘怀的日子。这一天,他随邹志刚院士一起到国家航天局探月与航天工程中心现场观礼了月壤发放仪式,作为中国空间技术研究院联合研究团队成员,南京大学研究团队对1克月壤开展了研究。“我们是第一批发放月壤的13家科研单位中唯一以材料、催化和能源作为切入点的联合研究团队。”姚颖方说。别看月壤只有1克,却弥足珍贵。要知道,当年美国阿波罗号从月球带回作为国礼送给我国领导人的月壤只有0.5克。
  月壤接回南京大学后,被保存到学校为其量身打造的超净环境中,储存空间实现不间断、零死角监控,实验期间进行实时影音记录和文字记录。
  姚颖方清晰地记得他们第一次使用了0.02克月壤。“称量0.02克月壤的时候,我整个手都紧张到发抖,月壤实在太宝贵了。”姚颖方说,在开展研究时,团队尽最大努力保护月壤的原始性,最大限度减少研究过程中带来的损耗。
  目前,团队正在寻找在太空测试该系统的机会,可能会与中国未来的载人登月任务一起进行验证。“如果我们想对地外世界进行大规模的探索,就要尽可能少地依赖地球的补给,转而使用地外资源,建成地外循环系统,这样才能真正实现地月空间经济区。”姚颖方表示,“我们的战略是为可持续和可承受的外星生活环境提供一个零能耗的生命保障系统。” 据《中国科学报》