“林立的殖民建設(shè)基地在月球表面拔地而起，龐大的星際飛船在地-月空港碼頭往來(lái)不絕，人們盡情地在月球上呼吸著氧氣，享受著取之不竭、用之不盡的氦-3能源……”這不是空想，這是可以預(yù)見(jiàn)的月球城市的未來(lái)畫(huà)面。2022年5月5日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》的一篇文章稱(chēng)：科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)月球土壤中的二氧化碳竟然可以作為制氧和生產(chǎn)火箭燃料的原材料，這意味著開(kāi)發(fā)月球在理論上已經(jīng)有了良好的能源和氧氣保障。

能制造氧氣和燃料的月壤

這些年來(lái)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的快速上升，我國(guó)航天技術(shù)逐漸走在了一些發(fā)達(dá)國(guó)家的前面，成功研制并發(fā)射了中國(guó)人自己的登月航天器，并一舉帶回1731克月球樣品。2020年12月17日1時(shí)，攜帶著珍貴月壤的嫦娥五號(hào)返回器順利地降落在了內(nèi)蒙古市四子王旗，隨后研究人員迅速對(duì)此次帶回的月壤樣本開(kāi)始了加班加點(diǎn)的試驗(yàn)研究。不久后，實(shí)驗(yàn)有了突破性進(jìn)展并傳出了一個(gè)令人振奮的好消息：月壤中的二氧化碳可以用于制造氧氣和火箭燃料。

對(duì)于這個(gè)驚人的消息，實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人在一本科學(xué)雜志上詳細(xì)地進(jìn)行了說(shuō)明。原來(lái)在科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證下，新技術(shù)可以將月壤中的二氧化碳和宇航員自身釋放的二氧化碳和水收集起來(lái)，運(yùn)用一系列的化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為氧氣繼續(xù)為航天服和艙室供氧，甚至轉(zhuǎn)化為甲烷等碳?xì)浠衔餅榘ɑ鸺?、發(fā)射臺(tái)和采礦作業(yè)車(chē)在內(nèi)的月球基地設(shè)施供能。

月壤被證明可以制造氧氣和火箭燃料的消息迅速得到了國(guó)外專(zhuān)家的關(guān)注，美國(guó)的國(guó)家航天局負(fù)責(zé)人比爾?尼爾森就曾表示希望分享嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣本。因?yàn)榇舜捂隙鹞逄?hào)采集月壤的區(qū)域位于月球風(fēng)暴洋北部附近，比此前阿波羅系列飛船采集月壤的月海區(qū)域更“年輕”，相應(yīng)地也更具實(shí)驗(yàn)價(jià)值，美國(guó)希望能獲得月壤制氧、制造燃料的最新數(shù)據(jù)。種種跡象表明此次月壤相關(guān)試驗(yàn)在航天界和科研領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者也對(duì)試驗(yàn)結(jié)論提出了質(zhì)疑和補(bǔ)充。

比如要想大批量地制造氧氣和能源，僅僅依靠月壤中的二氧化碳和宇航員自身釋放的二氧化碳和水是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，那么月球上還有什么地方有水或者二氧化碳嗎？中科院地質(zhì)與地球物理研究所對(duì)嫦娥五號(hào)帶回的月壤細(xì)致地研究后就表示，月壤中除了有二氧化碳，還有0.012%到0.018%的水分子或者羥基的，這意味著在1噸月壤中大約含有120克以上水分子成分，這些水分子或者羥基經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后就能變成液態(tài)水。而工程人員又可以通過(guò)分解水的方式來(lái)獲得氧氣、氫氣，以滿足宇航員呼吸以及飛船推進(jìn)劑的需要。

我國(guó)迅速開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和計(jì)算利用月壤中的二氧化碳制氧和制造燃料的可行性，我國(guó)科學(xué)家們又進(jìn)行了一系列的科學(xué)試驗(yàn)。目前，航天五院511所已經(jīng)通過(guò)在嫦娥探測(cè)器平臺(tái)搭建的小型反應(yīng)爐進(jìn)行了多次月面制氧試驗(yàn)，獲得了大量的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證了很多之前的技術(shù)性猜想。隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)被傳回分析，我國(guó)科學(xué)家們終于得出結(jié)論：月面制氧在技術(shù)上是可行的且發(fā)展前景很好。

在第一階段的探索性試驗(yàn)中，研究人員還在月球土壤中發(fā)現(xiàn)了大量的鐵和鈦元素晶體礦物，這兩種物質(zhì)在陽(yáng)光下可以作為催化劑參與到二氧化碳制氧和制造燃料中去。科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，如果將月壤熔融后塑成納米結(jié)構(gòu)材料來(lái)利用會(huì)更加高效，因?yàn)樵氯啦粌H疏松多孔，其表面還有著豐富的囊泡結(jié)構(gòu)，這些特征可以大大提高月壤自身的催化性能。

除了直接利用月壤中的二氧化碳制造必需品外，中國(guó)研究人員還在考慮其他的月壤利用方式。在確定月壤中碳?xì)湓氐某煞肿銐蛑圃煅鯕夂湍茉春?，我?guó)科研人員繼續(xù)探索對(duì)月壤的深層次開(kāi)發(fā)。在一次科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用大會(huì)上，航天五院508所果琳麗研究員介紹了最新的月壤熔融制氧技術(shù)，這種技術(shù)可以將月壤或月巖加熱到熔融狀態(tài)后進(jìn)行電解來(lái)制造氧氣。

熔融法制氧的效率很高，成品率甚至可以達(dá)到20%至30%，而且原料的成本更是低廉到不可想象，僅需要幾乎取之不竭的月壤或者月巖，如果這項(xiàng)技術(shù)能夠被完善后投入運(yùn)用，搭配前文提到的二氧化碳制氧將會(huì)大大減少?gòu)牡厍蜻\(yùn)輸物資的高昂開(kāi)銷(xiāo)。不僅如此，熔融制氧還會(huì)有純度較高的硅、鐵等單質(zhì)材料產(chǎn)出，這些副產(chǎn)品完全可以運(yùn)用到太空站或者飛船建造中去。

其實(shí)除了用于生產(chǎn)氧氣、能源外，研究還發(fā)現(xiàn)月壤中含有一種珍貴的能源物質(zhì)，它就是著名的氦-3。作為一種理想的核聚變?nèi)剂?，?3放能時(shí)輻射小、能量高，是人類(lèi)理想中的未來(lái)能源。不幸的是，地球上僅有500公斤左右氦-3儲(chǔ)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠大范圍的能源使用，于是人們就把目光投向了頭頂?shù)脑铝?。因?yàn)楹?3的來(lái)源是太陽(yáng)風(fēng)，而月球在億萬(wàn)年的時(shí)間里從太陽(yáng)風(fēng)中儲(chǔ)備了大量氦-3。如果人類(lèi)能在月球上實(shí)現(xiàn)氦3的長(zhǎng)期開(kāi)采，那么人類(lèi)將再也不會(huì)為能源而苦惱。

前景美好的月球基地

現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)家們針對(duì)月壤成分、用途的研究獲得了很多突破性的成果，這些的研究成果意義重大，甚至可能改變未來(lái)人類(lèi)殖民外星的太空格局。

在過(guò)去，每次航天飛船的發(fā)射與返程都要消耗巨大的能量來(lái)克服大氣摩擦力和星球引力，這意味著航天飛船上數(shù)十噸的載荷會(huì)被浪費(fèi)在發(fā)射燃料上。如果能夠在月球上利用月球資源來(lái)生產(chǎn)氧氣和能源，就可以將航天飛船上更多的空間空余出來(lái)搭載航天員和試驗(yàn)儀器。而中國(guó)科學(xué)家們的研究已經(jīng)解決了這一顧慮，甚至為將來(lái)的“地-月”航行甚至“地-月-火”星際航行提供了多個(gè)可持續(xù)性的氧氣、能源生產(chǎn)技術(shù)方案。如果這些技術(shù)能順利落實(shí)，我們一定能夠看到人類(lèi)航天產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展。

中國(guó)人一直對(duì)開(kāi)發(fā)土地有著獨(dú)特的情懷，現(xiàn)在這種情懷延伸到了月壤之上，也許將來(lái)還要繼續(xù)開(kāi)發(fā)火星、金星的土壤，這種熱愛(ài)將會(huì)一直向遠(yuǎn)方延伸，沒(méi)有盡頭直至星辰大海。

參考資料：

Soil on the moon could be used to convert carbon dioxide into oxygen and ROCKET FUEL to power future missions to Mars by Sam Tonkin May 5. 2022

Lunar Soil Can Be Used To Generate Oxygen and Fuel for Moon Astronauts by CELL PRESS MAY 7.2022

作者：山上的霧 校稿編輯：李子