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在月球能生产氧气和燃料?月壤或可助一臂之力

2022-05-08 07:29:14  来源:中国科技网

5月5日,南京大学、香港中文大学(深圳)、中国科学技术大学的研究团队刊发于国际学术期刊《焦耳》的一篇文章称,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,发现月壤含有一些活性化合物。它们可以作为催化剂,借助太阳光,将水和二氧化碳转化为氧气、氢气和甲烷、甲醇。

基于这个发现,团队提出了一套利用月壤进行地外人工光合成的策略,希望为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定物质基础,从而支持月球探测、研究和旅行。


图片说明: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,并进行了反复验证。

月壤的元素构成和微纳结构,使其催化性能高

地外人工光合成技术,是指模拟地球上绿色植物的自然光合作用,利用太阳光,将人类呼出的二氧化碳和月球上原位开采的水资源,转化成氧气和碳氢化合物的技术。在这个过程中,如果有催化剂,转化效率更高。

月壤是月球上最丰富的资源之一。2021年,南京大学获得了1克的嫦娥五号月壤,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,发现这些月壤中约有24种晶体矿物,其中钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石,以及多种铁基化合物等8种晶体矿物,可以在人工光合成中发挥较好的催化性能。”论文的共同第一作者、南京大学教授姚颖方告诉科技日报记者。

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。

研究同时指出,月壤表面具有丰富的微孔和囊泡结构,“月壤的表面积越大,能接触的气体就越多,催化性能越好,这种微纳结构进一步提高了月壤的催化性能。”姚颖方说。


图片说明:科研团队通过测试分析,提出在月球表面潜在的利用月壤实现地外生存的方案

将寻求在空间站或探月飞船中进一步测试

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°C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,该技术还可以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,希望能得到更好的催化效果。

但是,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,他们正在争取明年将地外人工光合成系统搭载到中国空间站,或力争将该系统搭载到中国探月计划的飞船中。

“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,可以大大降低航天器的载荷和成本,也许将来在月球上就可以就地取材,为宇航员提供生命支持,并制备燃料。”姚颖方如此展望。

关键词: 科学探索 在月球能生产氧气和燃料月壤或可助一臂之力

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