近日，我國科學(xué)家通過分析嫦娥五號取回的月壤，提出了一套利用月壤進(jìn)行地外人工光合成的策略，有助于未來月球探測、居住和旅行。

在月球上長期生存，是載人深空探測之旅的首個(gè)里程碑。最大限度地利用月球上的資源與能源，可以幫助人類在月球建立一個(gè)兼具生命支撐和支持航天器發(fā)射的中繼站。

與現(xiàn)有的地外生存技術(shù)相比，地外人工光合成技術(shù)有望利用月球的資源與環(huán)境生產(chǎn)氧氣、燃料和生存用品。該技術(shù)能在寬溫度范圍下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換。

此外，地外人工光合成技術(shù)主要利用人類呼吸的二氧化碳(CO2)和月球上原位開采的水資源，共同產(chǎn)生氧氣和碳?xì)浠衔?。?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可以極大提高人類在月球生存的可行性和持久性，同時(shí)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

嫦娥五號示意圖，圖片來自中國探月工程

作為月球上最豐富的資源之一，采用月壤作為地外人工光合成催化材料，是月球原位資源利用的重要組成部分。與地球上的催化劑相比，月壤或月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，可以極大降低航天器的載荷和成本。嫦娥五號從月球取回的月壤樣品（下稱“嫦娥五號月壤”）為實(shí)現(xiàn)地外人工光合成提供了一個(gè)很好的機(jī)會。

此次，南京大學(xué)鄒志剛院士、姚穎方教授團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)（深圳）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，詳細(xì)分析了嫦娥五號月壤的元素組成和礦物結(jié)構(gòu)，從光伏電解、光催化和光熱催化三個(gè)方面，對嫦娥五號月壤的人工光合成性能進(jìn)行評估，并基于月壤人工光合成性能提出了可行的地外人工光合成策略，為實(shí)現(xiàn)“零能耗”的月球生命保障系統(tǒng)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在《焦耳》(Joule)期刊。

圖片來自《焦耳》(Joule)

嫦娥五號月壤是月球表面非常年輕的玄武巖，富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分?！版隙鹞逄栐氯谰哂邢鄬γ鞔_的礦物成分，這些成分一定程度上具有光催化、光電催化或光熱催化的性能?！蹦暇┐髮W(xué)教授姚穎方說道，“同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，這種微納結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了月壤的催化性能。”

前述團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對月壤材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次分析，明確嫦娥五號月壤中主要晶體成分約為24種。其中，作為人工光合成的良催化劑包括：鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石，以及多種鐵基化合物等8種?！拔覀兡壳罢诨谶@8種材料，進(jìn)行進(jìn)一步的篩選分析，并將探索適用于月球的原位分離和提煉的方法，實(shí)現(xiàn)月球表面高效地外人工光合成材料的制備和應(yīng)用?！?/p>

團(tuán)隊(duì)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，圖片來自南京大學(xué)

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化CO2還原、以及光熱催化CO2加氫等反應(yīng)的催化材料，評估其性能。研究表明，月壤在光伏電解水和光熱催化CO2加氫反應(yīng)中具有較高的性能和選擇性。

針對月球環(huán)境，團(tuán)隊(duì)提出了利用月壤實(shí)現(xiàn)地外人工光合成的可行策略與步驟，即利用月球夜間的極低溫度(-173°C)，通過凝結(jié)將二氧化碳從人類呼吸空氣中直接分離。然后，嫦娥五號月壤作為水分解的電催化劑和CO2加氫的光熱催化劑，將呼吸廢氣、月球表面開采的水資源等轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。其中，氧氣可為人類提供生命支持，甲烷為火箭推進(jìn)劑的有效成分，甲醇則是有機(jī)化學(xué)品原料。

團(tuán)隊(duì)通過測試分析，提出在月球表面潛在利用月壤實(shí)現(xiàn)地外生存的方案，圖片來自南京大學(xué)

“在月球表面，月壤是取之不盡用之不竭的資源。”姚穎方說，“我們的研究表明，通過開采月球表面的水資源和月壤，通過一定的提煉技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)月球表面有人基地的建設(shè)，維持月面人類長期生存?！?/p>

前述研究為建立適應(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，并且只需月球上的太陽能、水和月壤?；谠撓到y(tǒng)，人類或可實(shí)現(xiàn)“零能耗”的地外生命保障系統(tǒng)，真正支持月球探測、研究和旅行。

而月壤的采集，除了尋求原位開發(fā)與利用，還有兩個(gè)更為重要的研究方向。“首先是月球的起因和演化等。通過研究月壤，可以更精準(zhǔn)地確定地球、月球等行星表面的年代，讓我們進(jìn)一步了解地球、月球、火星的起源?！币Ψf方認(rèn)為，月壤內(nèi)還可能存在大量的氦-3（氦氣同位素氣體），一種未來有可能進(jìn)行熱核聚變發(fā)電的清潔能源。此前有研究表明，月壤中含有100萬到500萬噸氦-3。

嫦娥五號月壤示意圖，圖片來自中國探月工程

論文共同第一作者為南京大學(xué)教授姚穎方、香港中文大學(xué)（深圳）助理教授王璐、朱熹、科研助理教授涂文廣，共同通訊作者為中國科技大學(xué)教授熊宇杰、南京大學(xué)鄒志剛院士和教授周勇。

嫦娥五號月壤樣品由中國國家航天局提供，前述工作獲得科技部“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科工局民用航天技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、面上項(xiàng)目等項(xiàng)目資助，以及固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。