第一次用月球土壤做實(shí)驗(yàn)，稱量0.02克，南京大學(xué)教授姚穎方緊張得整個(gè)手都在發(fā)抖。

他所做的研究，是利用月球土壤中的一些成分作為人工光合成催化劑，把人類呼出的二氧化碳、月球表面開(kāi)采的水等，制造成氧氣、氫氣、甲烷以及甲醇。

如能掌握這項(xiàng)技能，就算沒(méi)有地球的補(bǔ)給，人類也能在月球上就地取材，生產(chǎn)氧氣、水等生存所必須的東西。它可以幫助人類構(gòu)建月球基地和月球中繼站，為更遙遠(yuǎn)的宇宙探索和星際旅行提供能源補(bǔ)給。

近日，由中國(guó)空間技術(shù)研究院嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總指揮、總設(shè)計(jì)師楊孟飛院士，中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華院士，以及南京大學(xué)鄒志剛院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，提出了月球地外人工光合成策略。研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《焦耳》（Joule）上。

（圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載）

篩選出兩種方式，實(shí)現(xiàn)月壤高效催化

要想在月球上居住和生存，水、氧氣和能源必不可少，靠地球輸送始終是杯水車薪，科研人員希望能從月球“土著”資源尋找更多可能性。

兩年前，NASA曾宣布在月球表面有水分子存在，我國(guó)發(fā)射的嫦娥五號(hào)探測(cè)器通過(guò)對(duì)月壤進(jìn)行原位探測(cè)，更是實(shí)錘了月球上有水資源存在。

水不僅能夠供宇航員飲用，還能轉(zhuǎn)化為兩個(gè)寶貝。“我們前期參與了中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室牽頭的一個(gè)項(xiàng)目，叫月球表面水資源的開(kāi)采和光化學(xué)轉(zhuǎn)化，也就是把水分解成氫氣和氧氣。”論文第一作者姚穎方在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。

拿到嫦娥五號(hào)帶回的月壤后，團(tuán)隊(duì)特別想看看月壤作為催化材料是否也能實(shí)現(xiàn)水變氫氣和氧氣，以及月壤能不能在二氧化碳的轉(zhuǎn)化中發(fā)揮一定作用。

這次獲得的月壤是月球表面非常年輕的玄武巖，這種礦物中富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分?！拔覀兺ㄟ^(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，分析出月壤中大約有24種礦物成分，其中的鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石，以及多種鐵基化合物等8種成分都有較好的光催化性能?！币Ψf方介紹。

而且，月壤表面本身就有很豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)一步提高月壤的催化性能。能在月壤中發(fā)現(xiàn)這些天然存在的優(yōu)勢(shì)都非常難得。

為了尋找最優(yōu)方案，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)月壤催化進(jìn)行了多種嘗試，來(lái)評(píng)估其性能。比如用光伏電解水的方式實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣的轉(zhuǎn)化；光催化水分解成氫氣和氧氣；光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳、甲烷和甲醇；光熱催化二氧化碳加氫產(chǎn)生甲烷和甲醇。

最終，他們篩選出光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫這兩種方式，可以實(shí)現(xiàn)最高的月壤催化效率，而且得到的物質(zhì)更有用、更純凈。

“甲烷作為一種燃料，是非常好的航天器推進(jìn)劑；甲醇的用處就更廣了，我們身上穿的、用的，很多有機(jī)化合物里都有甲醇作為原料。而能源源不斷生產(chǎn)甲醇，意味著我們可以在月球建立甲醇化工廠，來(lái)實(shí)現(xiàn)人類所需求的化學(xué)品?！币Ψf方說(shuō)。

用月壤催化得到的氧氣、氫氣、甲烷以及甲醇這四種物質(zhì)，都是人類在月球表面生存且構(gòu)筑基地和中繼站所必須的物質(zhì)。作為月球上最豐富的資源之一，月壤資源有著巨大的發(fā)展空間和潛力。

原地原位，大幅度降低發(fā)射載荷和成本

在這之前，科學(xué)家們已經(jīng)提出了許多地外生存的策略，但是大多數(shù)設(shè)計(jì)都依賴來(lái)自地球的能源。

比如，NASA在2020年發(fā)射的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器攜帶的火星氧氣現(xiàn)場(chǎng)資源利用實(shí)驗(yàn)儀器（MOXIE），可以用火星大氣中的二氧化碳制造氧氣，但該儀器靠的是來(lái)自地球的同位素電池驅(qū)動(dòng)，通過(guò)高溫條件下的電化學(xué)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)二氧化碳分解成一氧化碳和氧氣的過(guò)程。

“他們當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是每小時(shí)10克的氧氣轉(zhuǎn)化效率，但由于種種原因，最終在火星表面實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)約6克的轉(zhuǎn)化效率?！币Ψf方表示，“效率非但不高，而且據(jù)說(shuō)那個(gè)裝置還非常笨重，很有可能需要不斷地更換電池，這意味著要發(fā)射很多次飛船，每次發(fā)射都大大增加載荷?！?/p>

這篇論文里的這套地外人工光合成技術(shù)相對(duì)就簡(jiǎn)單多了，利用的也完全是地外的資源與環(huán)境來(lái)生產(chǎn)氧氣、燃料和生存用品。

月球晚上的溫度為零下173攝氏度，二氧化碳在零下78.5攝氏度會(huì)變成干冰，所以在月球夜間，可以將二氧化碳從人類呼出的氣體中直接分離，再用月球表面開(kāi)采的水資源分解出氫氣和氧氣，氧氣供人呼吸，二氧化碳則和氫氣放到一起。到了白天，月球溫度高達(dá)127攝氏度時(shí)，可以巧妙實(shí)現(xiàn)原地原位二氧化碳加氫氣轉(zhuǎn)化成甲烷的過(guò)程。

“這樣做最大的好處是可以大幅度降低火箭發(fā)射載荷，減少飛船飛往月球甚至更遠(yuǎn)外太空所需的成本，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)可承受且可持續(xù)的深空探測(cè)?！币Ψf方說(shuō)。

類比大航海時(shí)代，全世界已經(jīng)達(dá)成一個(gè)共識(shí)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們將進(jìn)入大航天時(shí)代。而且，目前已經(jīng)有人前赴后繼地探索太空，比如馬斯克的SpaceX公司，以及亞馬遜創(chuàng)始人Jeff Bezos等。

我國(guó)更是提出了要建設(shè)地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)，中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)際宇航科學(xué)院院士包為民曾估計(jì)，到2046年，我們每年在地月經(jīng)濟(jì)區(qū)的總產(chǎn)值至少達(dá)到10萬(wàn)億美元的量級(jí)規(guī)模。

“如果我們想對(duì)地外世界進(jìn)行大規(guī)模探索，就要盡可能少地依賴地球的補(bǔ)給，轉(zhuǎn)而使用地外資源，實(shí)現(xiàn)地外循環(huán)系統(tǒng)，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)?！币Ψf方表示，“我們的戰(zhàn)略是為可持續(xù)和可承受的外星生活環(huán)境提供一個(gè)‘零能耗’的生命保障系統(tǒng)?！?/p>

彌足珍貴的1克月壤

2021年7月12日注定是姚穎方一生都難以忘懷的日子。這天，他隨鄒志剛院士一起，到國(guó)家航天局探月與航天工程中心現(xiàn)場(chǎng)觀禮了月壤發(fā)放儀式。同時(shí)，作為中國(guó)空間技術(shù)研究院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成員，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)1克月壤開(kāi)展了研究。

“從頭到尾的過(guò)程都讓我激動(dòng)不已！在此之前，我從未想過(guò)自己會(huì)加入到如此光榮的隊(duì)伍里，而且我們還是第一批發(fā)放月壤的13家科研單位里唯一一個(gè)以材料、催化和能源作為切入點(diǎn)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)?！币Ψf方每每想起那一時(shí)刻，仍舊心潮澎湃。

別看此次用于研究的月壤只有1克，卻彌足珍貴。要知道當(dāng)年美國(guó)阿波羅號(hào)從月球帶回、做為國(guó)禮送給我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的月壤，也只有0.5克。

存放在南京大學(xué)月球樣品實(shí)驗(yàn)室的嫦娥五號(hào)月壤樣本。資料圖

新華社記者陳席元攝

月壤接回南京大學(xué)后，被保存到學(xué)校為其量身打造的超凈環(huán)境，該環(huán)境嚴(yán)格按照國(guó)家航天局頒發(fā)的《月球樣品使用規(guī)定》設(shè)計(jì)，氧氣含量不高于20ppm（parts per million，百萬(wàn)分率），水蒸氣含量不高于50ppm。同時(shí)，儲(chǔ)存空間必須不間斷、零死角監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)期間須進(jìn)行實(shí)時(shí)影音記錄和文字記錄。

姚穎方至今都清晰地記得第一次用了0.02克月壤，當(dāng)時(shí)還發(fā)生了一件好笑的事情。姚穎方想讓自己的學(xué)生來(lái)開(kāi)啟這神圣的時(shí)刻，沒(méi)想到學(xué)生太激動(dòng)以至于不敢操作，親自上陣的他也是格外緊張，“在稱量0.02克月壤的時(shí)候，我整個(gè)手緊張到發(fā)抖，月壤實(shí)在太寶貴了?！?/p>

月壤來(lái)之不易，第一站落戶南京大學(xué)環(huán)境材料與再生能源研究中心，是因?yàn)檫@里有一支國(guó)內(nèi)外知名的地外人工光合成研究團(tuán)隊(duì)，集合了國(guó)內(nèi)最頂尖做地外人工光合成的人才力量。

團(tuán)隊(duì)不僅有鄒志剛院士，還有中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華院士，以及中國(guó)空間技術(shù)研究院嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總指揮、總設(shè)計(jì)師楊孟飛院士，三位院士在中國(guó)空間技術(shù)研究院共同構(gòu)建了地外生存物理化學(xué)過(guò)程院士工作室。

“正是基于這個(gè)工作室，我們才能夠有機(jī)會(huì)領(lǐng)取到這么寶貴的月壤，此次研究用了其中的0.2克月壤?！币Ψf方說(shuō)。

這項(xiàng)研究由南京大學(xué)與中國(guó)空間技術(shù)研究院、香港中文大學(xué)（深圳）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作完成，在整個(gè)研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員都非常團(tuán)結(jié)，且干勁滿滿，每個(gè)月都要進(jìn)行研究過(guò)程和進(jìn)展的匯報(bào)以及交流。更重要的是，他們?cè)陂_(kāi)展研究時(shí)也會(huì)盡最大努力保護(hù)月壤的原始性，最大限度減少研究過(guò)程中帶來(lái)的損耗。

姚穎方透露，他們正在尋找在太空測(cè)試該系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，可能會(huì)與中國(guó)未來(lái)的載人登月任務(wù)一起進(jìn)行驗(yàn)證。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011

作者：張晴丹

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)