月球土壤可以帮助我们在太空中制造氧气

中国的一个科学家团队分析了该国嫦娥五号任务最近收集的月球岩石——这是自 20 世纪 70 年代上一次阿波罗任务以来第一批返回地球的月球岩石。

在实验室中对新月球岩石进行的实验表明，它们含有可能用作催化剂的材料，可以在月球上制造燃料和氧气。该团队提出了一项策略，让未来的月球探险者可以利用这些催化剂来制造关键资源，而不是打包这些物资，这是一种将长期太空探索成本降至最低的潜在方法。他们于周四在《焦耳》杂志上发表了他们的研究结果。

前 NASA 宇航员、麻省理工学院航空航天学教授 Jeffrey Hoffman 表示，该团队能够利用新月岩石数据并“进行此类计算，我认为这非常令人印象深刻”，他并未参与这项研究。然而，Hoffman 表示，当谈到制造燃料和氧气所需的材料和能量时，这项研究缺乏对这一过程如何扩大规模的全面估计。

拟议的工艺需要水、碳和从月球土壤中提取的化学催化剂。这些催化剂有助于将水分解成氢和氧。在催化剂的帮助下，二氧化碳和氢可以转化为碳氢化合物燃料——甲烷或甲醇——与新生成的氧气一起燃烧。

但月球表面没有碳，因此该团队的计划需要从乘员舱的空气中收集碳。这个过程被称为碳捕获，既困难又耗能，是一种缓解气候变化的热门技术。霍夫曼说，宇航员如何从空气中分离二氧化碳以及他们能获得多少二氧化碳的问题仍未得到解决。这个过程还需要从月球土壤中收集水和金属，这是另一个挑战。

该团队打算利用合成光合作用来推动这一过程，但霍夫曼不确定小型太阳能电池阵列是否能够提供足够的电力来为返程等任务提供足够的燃料。

霍夫曼是 MOXIE 实验团队成员之一，该实验旨在利用火星二氧化碳在毅力号火星车上产生氧气。霍夫曼说，MOXIE 实验需要 300 瓦的功率（足以运行一个小型真空吸尘器），“每小时仅能利用大气中的二氧化碳产生几克氧气”。最终结果只是相当于几次呼吸的氧气量。

大学空间研究协会月球和行星研究所研究月球表面和地质的行星科学家朱莉·斯托帕尔说，这项新的月球研究有一些巧妙的想法，比如利用月球的昼夜循环来加热和冷却反应物并推动部分过程。她说，挑战在于“找到一种扩大规模并使其切实可行的方法”。

她说，要使这样的系统在月球上仅使用当地资源就能发挥作用，探险者必须能够提供正确比例的原材料，并能够最大限度地减少过程中的浪费。归根结底，这是一个需要证明其可规模化的实验室实验，这可能需要多次修改和适应月球条件。该团队假设宇航员可以从永久阴影笼罩的月球陨石坑区域获取此过程所需的水。

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霍夫曼说：“我们还没有掌握那里水资源的真相。”他说，那里的水资源可能以水合矿物或冰晶的形式存在，可能集中成团，也可能分散在相距很远的沉积物中。NASA 更喜欢远离陨石坑的平坦着陆点，因为陨石坑很危险，但这也是唯一可能存在足够水量的地方。

霍夫曼说，即使存在可获取的水，开采冰也需要“在非常非常寒冷的地区进行开采作业”：高于绝对零度 40 到 60°C。“我们目前还没有可以在这种温度下工作的设备。”

斯托帕尔表示，利用月球或火星上的当地资源需要 NASA 做出“长期承诺”。她表示，目前 NASA 仍处于此类项目设计的早期阶段。

斯托帕认为，太空机构可以从更简单的外星材料目标开始——例如，利用月球风化层在月球上建造防辐射庇护所。然后，这些机构可以小规模地演示如何处理月球土壤以获取水。在其他星球上开采将非常具有挑战性，但 MOXIE 已经证明可以从火星大气层中制造燃料。

短期内，NASA 可能只需运送返回火星所需的所有氧气。但霍夫曼表示，NASA 确实会“付出代价”。虽然运送燃料比在火星上生产燃料风险更小，但需要额外花费数十亿美元。但霍夫曼坚信一件事：如果 NASA 要开展持续的火星探索计划，那么宇航员迟早必须开始使用他们在地球以外发现的燃料。