如果想在月球上居住和旅行，水、氧氣等物質(zhì)和交通工具不可或缺。如果月球能“自帶”資源為人類提供生存的基礎(chǔ)，那星際旅行的曙光或許不再遙遠(yuǎn)。

趙岑攝

5月5日，南京大學(xué)、香港中文大學(xué)（深圳）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》的一篇文章稱，團(tuán)隊在詳細(xì)分析嫦娥五號取回的月壤（以下簡稱嫦娥五號月壤）的元素和礦物結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)月壤含有一些活性化合物。它們可以作為催化劑，借助太陽光，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣和甲烷、甲醇。

基于這個發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊提出了一套利用月壤進(jìn)行地外人工光合成的策略，希望為實現(xiàn)“零能耗”的月球生命保障系統(tǒng)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，從而支持月球探測、研究和旅行。

團(tuán)隊通過先進(jìn)表征手段，確認(rèn)月壤表面結(jié)構(gòu)、成分，說明月壤含有約24種不同晶體礦物、約13種元素成分，并進(jìn)行了反復(fù)驗證。

地外人工光合成技術(shù)，是指模擬地球上綠色植物的自然光合作用，利用太陽光，將人類呼出的二氧化碳和月球上原位開采的水資源，轉(zhuǎn)化成氧氣和碳?xì)浠衔锏募夹g(shù)。不過，在這個過程中，如果有催化劑，轉(zhuǎn)化效率更高。

月壤是月球上最豐富的資源之一。2021年，南京大學(xué)獲得了1克的嫦娥五號月壤，此次刊發(fā)成果的科研團(tuán)隊利用其中的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)這些月壤中約有24種晶體礦物，其中鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石，以及多種鐵基化合物等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。”論文的共同第一作者、南京大學(xué)教授姚穎方告訴科技日報記者。

月壤實際的催化性能如何？研究團(tuán)隊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。

研究同時指出，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，“月壤的表面積越大，能接觸的氣體就越多，催化性能越好，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。

科研團(tuán)隊通過測試分析，提出在月球表面潛在的利用月壤實現(xiàn)地外生存的方案。

基于以上分析，研究團(tuán)隊針對月球環(huán)境，提出利用月壤實現(xiàn)地外人工光合成的策略與步驟。

“利用月球夜間約-173°C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衔铮摷夹g(shù)還可以借助于月球表面的溫度環(huán)境，實現(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)隊還將對月壤中的有效催化成分進(jìn)行分離、提煉，希望能得到更好的催化效果。

但是，地外人工光合成技術(shù)究竟能否在真實的月球環(huán)境中實現(xiàn)，還需進(jìn)一步驗證。姚穎方介紹，他們正在爭取明年將地外人工光合成系統(tǒng)搭載到中國空間站，或力爭將該系統(tǒng)搭載到中國探月計劃的飛船中。

“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，可以大大降低航天器的載荷和成本，也許將來在月球上就可以就地取材，為宇航員提供生命支持，并制備燃料。”姚穎方如此展望。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳 晶體礦物 碳?xì)浠衔?/a>