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我国科学家利用月壤实现地外人工光合成,月球或可生产氧气

近日,我国科学家通过分析嫦娥五号取回的月壤,提出了一套利用月壤进行地外人工光合成的策略,有助于未来月球探测、居住和旅行。在月球上长期生存,是载人深空探测之旅的首个里程碑。最大限度地利用月球上的资源与能源,可以帮助人类在月球建立一个兼具生命支撑和支持航天器发射的中继站。与现有的地外生存技术相比,地外人工光合成技术有望利用月球的资源与环境生产氧气、燃料和生存用品。该技术能在宽温度范围下运行,实现低能耗和高效能量转换。此外,地外人工光合成技术主要利用人类呼吸的二氧化碳(CO2)和月球上原位开采的水资源,共同产生氧气和碳氢化合物。实现这一目标可以极大提高人类在月球生存的可行性和持久性,同时具有很高的经济效益。

嫦娥五号示意图,图片来自中国探月工程

作为月球上最丰富的资源之一,采用月壤作为地外人工光合成催化材料,是月球原位资源利用的重要组成部分。与地球上的催化剂相比,月壤或月壤提取成分作为月球上的人工光合成催化剂,可以极大降低航天器的载荷和成本。嫦娥五号从月球取回的月壤样品(下称“嫦娥五号月壤”)为实现地外人工光合成提供了一个很好的机会。此次,南京大学邹志刚院士、姚颖方教授团队与香港中文大学(深圳)、中国科学技术大学合作,详细分析了嫦娥五号月壤的元素组成和矿物结构,从光伏电解、光催化和光热催化三个方面,对嫦娥五号月壤的人工光合成性能进行评估,并基于月壤人工光合成性能提出了可行的地外人工光合成策略,为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了物质基础。相关成果发表在《焦耳》(Joule)期刊。

图片来自《焦耳》(Joule)

嫦娥五号月壤是月球表面非常年轻的玄武岩,富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。“嫦娥五号月壤具有相对明确的矿物成分,这些成分一定程度上具有光催化、光电催化或光热催化的性能。”南京大学教授姚颖方说道,“同时我们发现,月壤表面具有丰富的微孔和囊泡结构,这种微纳结构进一步提高了月壤的催化性能。”前述团队采用机器学习等方法,对月壤材料结构进行多次分析,明确嫦娥五号月壤中主要晶体成分约为24种。其中,作为人工光合成的良催化剂包括:钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石,以及多种铁基化合物等8种。“我们目前正在基于这8种材料,进行进一步的筛选分析,并将探索适用于月球的原位分离和提炼的方法,实现月球表面高效地外人工光合成材料的制备和应用。”

团队通过先进表征手段,确认月壤表面结构、成分,说明月壤含有约24种不同晶体矿物、约13种元素成分,图片来自南京大学

团队进一步采用月壤作为光伏电解水、光催化水分解、光催化CO2还原、以及光热催化CO2加氢等反应的催化材料,评估其性能。研究表明,月壤在光伏电解水和光热催化CO2加氢反应中具有较高的性能和选择性。针对月球环境,团队提出了利用月壤实现地外人工光合成的可行策略与步骤,即利用月球夜间的极低温度(-173°C),通过凝结将二氧化碳从人类呼吸空气中直接分离。然后,嫦娥五号月壤作为水分解的电催化剂和CO2加氢的光热催化剂,将呼吸废气、月球表面开采的水资源等转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。其中,氧气可为人类提供生命支持,甲烷为火箭推进剂的有效成分,甲醇则是有机化学品原料。

团队通过测试分析,提出在月球表面潜在利用月壤实现地外生存的方案,图片来自南京大学

“在月球表面,月壤是取之不尽用之不竭的资源。”姚颖方说,“我们的研究表明,通过开采月球表面的水资源和月壤,通过一定的提炼技术,就可以实现月球表面有人基地的建设,维持月面人类长期生存。”前述研究为建立适应月球极端环境的原位资源利用系统提供了潜在方案,并且只需月球上的太阳能、水和月壤。基于该系统,人类或可实现“零能耗”的地外生命保障系统,真正支持月球探测、研究和旅行。而月壤的采集,除了寻求原位开发与利用,还有两个更为重要的研究方向。“首先是月球的起因和演化等。通过研究月壤,可以更精准地确定地球、月球等行星表面的年代,让我们进一步了解地球、月球、火星的起源。”姚颖方认为,月壤内还可能存在大量的氦-3(氦气同位素气体),一种未来有可能进行热核聚变发电的清洁能源。此前有研究表明,月壤中含有100万到500万吨氦-3。

嫦娥五号月壤示意图,图片来自中国探月工程

论文共同第一作者为南京大学教授姚颖方、香港中文大学(深圳)助理教授王璐、朱熹、科研助理教授涂文广,共同通讯作者为中国科技大学教授熊宇杰、南京大学邹志刚院士和教授周勇。嫦娥五号月壤样品由中国国家航天局提供,前述工作获得科技部“变革性技术关键科学问题”重点研发计划、科工局民用航天技术重点项目、国家自然科学基金重大研究计划、面上项目等项目资助,以及固体微结构物理国家重点实验室、江苏省纳米技术重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

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