月壤里的秘密：或可在月球上制備氧氣和燃料

國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》的一篇最新論文引發(fā)學(xué)界廣泛關(guān)注。研究團(tuán)隊(duì)在詳細(xì)分析嫦娥五號(hào)取回的月壤（以下簡稱嫦娥五號(hào)月壤）的元素和礦物結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)月壤的一些活性化合物具有良好的催化性能。他們以其為催化劑，利用人工光合成技術(shù)，借助模擬太陽光，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。

“月壤是月球上最豐富的資源之一，月壤或月壤提取成分如果能作為月球上的人工光合成催化劑，可大大降低航天器的載荷和成本。將來也許在月球上可以就地取材，為宇航員提供生命支持，并制備燃料。”5月7日，在接受科技日報(bào)記者專訪時(shí)，論文共同第一作者、南京大學(xué)教授姚穎方如此展望。

月壤的元素構(gòu)成和微納結(jié)構(gòu)，使其具有良好的催化性能

2021年，南京大學(xué)作為中國空間技術(shù)研究院牽頭的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)組成單位之一，獲得第一次發(fā)放的月球樣品1克。此次刊發(fā)成果的科研團(tuán)隊(duì)利用其中的0.2克進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了月壤的一些特質(zhì)。

“嫦娥五號(hào)月壤來自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。團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次分析，發(fā)現(xiàn)其中鈦鐵礦、氧化鈦等8種晶體礦物可以在人工光合成中發(fā)揮較好的催化性能。”姚穎方說。

月壤實(shí)際的催化性能如何？研究團(tuán)隊(duì)將月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化二氧化碳還原、光熱催化二氧化碳加氫等反應(yīng)的催化材料，發(fā)現(xiàn)其在光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫反應(yīng)中，具有較高的性能和選擇性。

“在這些試驗(yàn)中，我們施加了模擬太陽光，用水、二氧化碳做原料，將月壤與模擬的美國阿波羅計(jì)劃取回的月壤和地球表面的玄武巖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)三者在光伏電解水反應(yīng)中，嫦娥五號(hào)月壤產(chǎn)生氧氣和氫氣的效率最高。而在光熱催化二氧化碳加氫反應(yīng)中，嫦娥五號(hào)月壤產(chǎn)生的甲烷、甲醇的效率也比其他材料要高。”姚穎方欣喜地表示，氧氣可為人類提供生命支持，甲烷是火箭推進(jìn)劑的有效成分，而甲醇是有機(jī)化學(xué)品原料。

研究還發(fā)現(xiàn)，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，“這種微納結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了月壤的催化性能。”姚穎方說。

將爭取在未來航天計(jì)劃中搭載試驗(yàn)

基于以上分析，研究團(tuán)隊(duì)針對月球環(huán)境，提出利用月壤實(shí)現(xiàn)地外人工光合成的策略與步驟。“利用月球夜間約-173℃的極低溫度，將二氧化碳從人類呼吸的空氣中凝結(jié)分離。然后利用太陽光，將嫦娥五號(hào)月壤作為水分解的電催化劑和二氧化碳加氫的光熱催化劑，把人類呼出的廢氣、月球表面開采的水資源等轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。”姚穎方表示，利用地外人工光合成技術(shù)，也許只需要月球上的太陽能、水和月壤，便能產(chǎn)生氧氣和碳?xì)浠衔?，該技術(shù)有望借助于月球表面的溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換。這為建立適應(yīng)月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)提供了潛在方案。

雖然月球土壤的催化效率低于地球上可用的催化劑，但姚穎方表示，研究團(tuán)隊(duì)還將對月壤中的有效催化成分進(jìn)行分離、提煉，力求得到更好的催化效果。

不過，地外人工光合成技術(shù)究竟能否在真實(shí)的月球環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。姚穎方介紹，目前，他們正在聯(lián)合中國空間技術(shù)研究院的科研人員，爭取實(shí)現(xiàn)地外人工光合成技術(shù)在未來航天計(jì)劃中搭載試驗(yàn)，進(jìn)行真實(shí)環(huán)境驗(yàn)證。