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月壤里的秘密:或可在月球上制备氧气和燃料

国际学术期刊《焦耳》的一篇最新论文引发学界广泛关注。研究团队在详细分析嫦娥五号取回的月壤(以下简称嫦娥五号月壤)的元素和矿物结构后,发现月壤的一些活性化合物具有良好的催化性能。他们以其为催化剂,利用人工光合成技术,借助模拟太阳光,将水和二氧化碳转化为氧气、氢气、甲烷、甲醇。

“月壤是月球上最丰富的资源之一,月壤或月壤提取成分如果能作为月球上的人工光合成催化剂,可大大降低航天器的载荷和成本。将来也许在月球上可以就地取材,为宇航员提供生命支持,并制备燃料。”5月7日,在接受科技日报记者专访时,论文共同第一作者、南京大学教授姚颖方如此展望。

月壤的元素构成和微纳结构,使其具有良好的催化性能

2021年,南京大学作为中国空间技术研究院牵头的联合团队组成单位之一,获得第一次发放的月球样品1克。此次刊发成果的科研团队利用其中的0.2克进行研究,发现了月壤的一些特质。

“嫦娥五号月壤来自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。团队采用机器学习等方法,对月壤结构进行了多次分析,发现其中钛铁矿、氧化钛等8种晶体矿物可以在人工光合成中发挥较好的催化性能。”姚颖方说。

月壤实际的催化性能如何?研究团队将月壤作为光伏电解水、光催化水分解、光催化二氧化碳还原、光热催化二氧化碳加氢等反应的催化材料,发现其在光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢反应中,具有较高的性能和选择性。

“在这些试验中,我们施加了模拟太阳光,用水、二氧化碳做原料,将月壤与模拟的美国阿波罗计划取回的月壤和地球表面的玄武岩进行对比,发现三者在光伏电解水反应中,嫦娥五号月壤产生氧气和氢气的效率最高。而在光热催化二氧化碳加氢反应中,嫦娥五号月壤产生的甲烷、甲醇的效率也比其他材料要高。”姚颖方欣喜地表示,氧气可为人类提供生命支持,甲烷是火箭推进剂的有效成分,而甲醇是有机化学品原料。

研究还发现,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。”姚颖方说。

将争取在未来航天计划中搭载试验

基于以上分析,研究团队针对月球环境,提出利用月壤实现地外人工光合成的策略与步骤。“利用月球夜间约-173℃的极低温度,将二氧化碳从人类呼吸的空气中凝结分离。然后利用太阳光,将嫦娥五号月壤作为水分解的电催化剂和二氧化碳加氢的光热催化剂,把人类呼出的废气、月球表面开采的水资源等转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。”姚颖方表示,利用地外人工光合成技术,也许只需要月球上的太阳能、水和月壤,便能产生氧气和碳氢化合物,该技术有望借助于月球表面的温度环境,实现低能耗和高效能量转换。这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。

虽然月球土壤的催化效率低于地球上可用的催化剂,但姚颖方表示,研究团队还将对月壤中的有效催化成分进行分离、提炼,力求得到更好的催化效果。

不过,地外人工光合成技术究竟能否在真实的月球环境中实现,还需进一步验证。姚颖方介绍,目前,他们正在联合中国空间技术研究院的科研人员,争取实现地外人工光合成技术在未来航天计划中搭载试验,进行真实环境验证。

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笛怨箫清听未真,江湖旧雨散成尘。平生只有双行泪,半为苍生半美人。

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