“林立的殖民建設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，這是可以預見的月球城市的未來畫面。2022年5月5日，國際學術期刊《焦耳》的一篇文章稱：科學家們研究發(fā)現月球土壤中的二氧化碳竟然可以作為制氧和生產火箭燃料的原材料，這意味著開發(fā)月球在理論上已經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，隨著我國綜合國力的快速上升，我國航天技術逐漸走在了一些發(fā)達國家的前面，成功研制并發(fā)射了中國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，攜帶著珍貴月壤的嫦娥五號返回器順利地降落在了內蒙古市四子王旗，隨后研究人員迅速對此次帶回的月壤樣本開始了加班加點的試驗研究。不久后，實驗有了突破性進展并傳出了一個令人振奮的好消息：月壤中的二氧化碳可以用于制造氧氣和火箭燃料。

對于這個驚人的消息，實驗負責人在一本科學雜志上詳細地進行了說明。原來在科學家們的實驗驗證下，新技術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，運用一系列的化學反應將其轉化為氧氣繼續(xù)為航天服和艙室供氧，甚至轉化為甲烷等碳氫化合物為包括火箭、發(fā)射臺和采礦作業(yè)車在內的月球基地設施供能。

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外專家的關注，美國的國家航天局負責人比爾?尼爾森就曾表示希望分享嫦娥五號帶回的月壤樣本。因為此次嫦娥五號采集月壤的區(qū)域位于月球風暴洋北部附近，比此前阿波羅系列飛船采集月壤的月海區(qū)域更“年輕”，相應地也更具實驗價值，美國希望能獲得月壤制氧、制造燃料的最新數據。種種跡象表明此次月壤相關試驗在航天界和科研領域都產生了巨大影響，國內外的一些學者也對試驗結論提出了質疑和補充。

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遠不夠的，那么月球上還有什么地方有水或者二氧化碳嗎？中科院地質與地球物理研究所對嫦娥五號帶回的月壤細致地研究后就表示，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過簡單處理后就能變成液態(tài)水。而工程人員又可以通過分解水的方式來獲得氧氣、氫氣，以滿足宇航員呼吸以及飛船推進劑的需要。

我國迅速開展相關試驗

為了進一步驗證和計算利用月壤中的二氧化碳制氧和制造燃料的可行性，我國科學家們又進行了一系列的科學試驗。目前，航天五院511所已經通過在嫦娥探測器平臺搭建的小型反應爐進行了多次月面制氧試驗，獲得了大量的關鍵性數據，并驗證了很多之前的技術性猜想。隨著試驗數據被傳回分析，我國科學家們終于得出結論：月面制氧在技術上是可行的且發(fā)展前景很好。

在第一階段的探索性試驗中，研究人員還在月球土壤中發(fā)現了大量的鐵和鈦元素晶體礦物，這兩種物質在陽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。科學家們還發(fā)現，如果將月壤熔融后塑成納米結構材料來利用會更加高效，因為月壤不僅疏松多孔，其表面還有著豐富的囊泡結構，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，中國研究人員還在考慮其他的月壤利用方式。在確定月壤中碳氫元素的成分足夠制造氧氣和能源后，我國科研人員繼續(xù)探索對月壤的深層次開發(fā)。在一次科學技術與應用大會上，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，這種技術可以將月壤或月巖加熱到熔融狀態(tài)后進行電解來制造氧氣。

熔融法制氧的效率很高，成品率甚至可以達到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，如果這項技術能夠被完善后投入運用，搭配前文提到的二氧化碳制氧將會大大減少從地球運輸物資的高昂開銷。不僅如此，熔融制氧還會有純度較高的硅、鐵等單質材料產出，這些副產品完全可以運用到太空站或者飛船建造中去。

其實除了用于生產氧氣、能源外，研究還發(fā)現月壤中含有一種珍貴的能源物質，它就是著名的氦-3。作為一種理想的核聚變燃料，氦-3放能時輻射小、能量高，是人類理想中的未來能源。不幸的是，地球上僅有500公斤左右氦-3儲備，遠遠不夠大范圍的能源使用，于是人們就把目光投向了頭頂的月亮。因為氦-3的來源是太陽風，而月球在億萬年的時間里從太陽風中儲備了大量氦-3。如果人類能在月球上實現氦3的長期開采，那么人類將再也不會為能源而苦惱。

前景美好的月球基地

現在，中國科學家們針對月壤成分、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，甚至可能改變未來人類殖民外星的太空格局。

在過去，每次航天飛船的發(fā)射與返程都要消耗巨大的能量來克服大氣摩擦力和星球引力，這意味著航天飛船上數十噸的載荷會被浪費在發(fā)射燃料上。如果能夠在月球上利用月球資源來生產氧氣和能源，就可以將航天飛船上更多的空間空余出來搭載航天員和試驗儀器。而中國科學家們的研究已經解決了這一顧慮，甚至為將來的“地-月”航行甚至“地-月-火”星際航行提供了多個可持續(xù)性的氧氣、能源生產技術方案。如果這些技術能順利落實，我們一定能夠看到人類航天產業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展。

中國人一直對開發(fā)土地有著獨特的情懷，現在這種情懷延伸到了月壤之上，也許將來還要繼續(xù)開發(fā)火星、金星的土壤，這種熱愛將會一直向遠方延伸，沒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