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撰文 |程雨祺李珊珊

責(zé)編 | 李珊珊

如果有一天，我們真的在月球上安了家，喝的水、呼吸的氧氣，甚至火箭燃料，全都來自腳下的土和石——月壤。這聽起來像科幻小說，但最近，中國科學(xué)家又朝這個目標邁出了一步。

7月16日，細胞出版社（Cell Press）旗下期刊《焦耳》（《Joule》）發(fā)表了題為《Inherent lunar water enabled photothermal CO? catalysis》（《月球固有的水使光熱CO?催化成為可能》）的論文。來自南京大學(xué)、香港中文大學(xué)（深圳）、中國空間技術(shù)研究院等的研究團隊，首次實現(xiàn)了一種一體化的“地外光合作用”系統(tǒng)：在月壤中提取水，并與二氧化碳在陽光加熱下轉(zhuǎn)化為氧氣和燃料。

這意味著，在極簡的條件下，僅憑陽光、月壤和宇航員呼出的CO?，就可能制造出支持人類生存的基本要素：水、氧氣和能源。

在太空運輸任何資源都代價高昂。據(jù)估算，每位宇航員每天需要約4加侖的水，而將一加侖水送入太空，成本高達8.3萬美元。因此，在地球之外就地取材，也就是所謂的原位資源利用（ISRU），長期是太空探索的核心方向。

“我們從未真正預(yù)料到月壤的‘魔法’”，文章通訊作者、香港中文大學(xué)（深圳）的王璐教授在文章發(fā)表后這樣向媒體說。

讓月壤擁有“魔法”的，是其中天然存在的一種神奇礦物——鈦鐵礦（FeTiO?）。它結(jié)構(gòu)疏松、像海綿一樣能吸附太陽風(fēng)中的氫原子，是月壤中重要的“儲水庫”；同時，它還具有光熱催化性能，能在陽光加熱下推動CO?和水的反應(yīng)。

換句話說，產(chǎn)生水和氧氣這兩件事，月壤不僅提供了原料，還自帶催化劑。將兩個過程整合到一起，正好順理成章，構(gòu)成了一個出人意料的簡潔方案。

事實上，早在2021年以來，南京大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院、香港中文大學(xué)（深圳）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位就組成聯(lián)合研究團隊，對嫦娥五號帶回的月壤樣本開展研究。這也正是本次論文的主要作者團隊。

2022年，他們首次發(fā)現(xiàn)，月壤能作為催化劑，推動水和二氧化碳的光熱反應(yīng)，催化性能甚至超過地球玄武巖一個數(shù)量級?！版隙鹞逄栐氯乐饕獊碜孕鋷r，富含鐵、鈦等元素，而這些正是人工光合成中常用的催化劑成分?！蹦暇┐髮W(xué)教授姚穎方曾這樣對媒體介紹。

巧合的是，在月壤提水的探索中，鈦鐵礦再次成為關(guān)鍵角色。2024年，中國科學(xué)院物理所等團隊研究發(fā)現(xiàn)，1噸月壤可以提取超過50公斤的水，鈦鐵礦在五種主要月球礦物中產(chǎn)水最多。然而，這一過程通常需將月壤加熱至接近1000°C，能源成本不低。

而本次研究的最大亮點之一，正是在于顯著降低了這一過程的能源門檻。研究團隊利用光熱反應(yīng)器，在地球?qū)嶒炇抑心M月球日照條件，在不額外供能的情況下，驗證了鈦鐵礦同時完成“提水+ CO?轉(zhuǎn)化”的可能性。

“對我們來說，最大的驚喜是這種集成方法取得了切實的成功?！蓖蹊凑f，“月球水提取和光熱二氧化碳催化的一步集成可以提高能源利用效率，并降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本和復(fù)雜性?！?/p>

靠太陽提供熱源、靠月壤催化反應(yīng)，月球極大的晝夜溫差，反而給這個“人工光合作用”提供了意外契合的幫助。月球地表白天溫度超過100°C，太陽為光熱反應(yīng)提供條件；而夜間溫度降至-170°C，又正好有利于收集二氧化碳冷凝成干冰，為第二天的反應(yīng)提供原料。

“或許我們以后能夠在月球建設(shè)一座小型化工廠?！?022年，姚穎方在接受新華社采訪時暢想?！叭绻覀兡茉谠虑蛏暇偷厝〔模言虑蛸Y源和宇航員的代謝廢物轉(zhuǎn)化為水和燃料，就能顯著降低載人航天的成本?！边@項2025年的進一步研究，正是對當(dāng)年設(shè)想的有力推進。

可行性究竟幾何？

當(dāng)然，現(xiàn)在就慶祝也許為時尚早，目前這項技術(shù)距離實際部署仍有距離。王璐也坦言，目前的催化性能“仍然不足以完全支持人類在地球以外環(huán)境中的生命”。研究團隊在論文中指出，未來必須克服催化效率、氣體收集、反應(yīng)速率、月壤異質(zhì)性等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，同時還需應(yīng)對構(gòu)建與維護系統(tǒng)的高成本與復(fù)雜性。

香港大學(xué)地球與行星科學(xué)系研究助理教授錢煜奇評價說，這項研究為未來在月球利用原位資源提供了“可行而前瞻的路徑”，“對我國深空探測，尤其是國際月球科研站的建設(shè)具有啟示意義”。

但錢煜奇同樣指出，真正落地仍會面臨諸多問題，“有相當(dāng)多的困難需要克服”。所有這些問題中，最為關(guān)鍵的也許是：“月壤性質(zhì)差異明顯，不同月壤性質(zhì)是否會對這一反應(yīng)路徑產(chǎn)生影響（例如鈦鐵礦含量）？月壤成分差異是否會影響催化反應(yīng)？產(chǎn)率是否足夠？氣體如何高效分離？是否具備經(jīng)濟可行性？”

盡管如此，這項研究仍代表著人類邁向月球自給生態(tài)系統(tǒng)的重要一步。這意味著月球可能不依賴地球運輸、自行生產(chǎn)水、氧氣和燃料，成為第一站地外補給，也為更遠的火星基地、深空探索提供模板。

也許在不遠的將來，人類移居月球?qū)⒉辉偈恰澳懿荒堋钡膯栴}，而是靠什么系統(tǒng)實現(xiàn)自給自足。通過人工“土壤光合作用”替代地球植物，讓陽光與塵土轉(zhuǎn)化為維持生命的氧氣、水和能源，這項聽起來遙遠的技術(shù)，或許正在慢慢成為現(xiàn)實。

無論如何，利用以月壤為代表的原位資源構(gòu)建可持續(xù)系統(tǒng)，或許正是未來月球基地建設(shè)的必由之路，錢煜奇說。

參考資料：

1.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00187-4

2.https://www.eurekalert.org/news-releases/1090785

3.https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0

4.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00178-7

5.http://www.xinhuanet.com/2022-05/12/c_1128644908.htm