月球土壤中的秘密:也许可以在月球上制备氧气和燃料

最近国际学术期刊《焦耳》上的一篇论文引起了学术界的广泛关注。在对嫦娥五号取回的月壤(以下简称嫦娥五号月壤)的元素和矿物结构进行详细分析后，研究团队发现月壤中的一些活性化合物具有良好的催化性能。他们将其作为催化剂，利用人造光合成技术和模拟阳光，将水和二氧化碳转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。

“月壤是月球上最丰富的资源之一。如果能够将月壤或月壤提取物用作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。也许在未来，月球上可以利用当地的材料为宇航员提供生命支持，并准备燃料。”5月7日，在接受科技日报记者专访时，论文共同第一作者、南京大学教授姚对此进行了展望。

月壤的元素组成和微纳结构使其具有良好的催化性能。

2021年，南京大学作为中国空间技术研究院牵头的联合团队的单位之一，首次获得1克月球样品。这次发表成果的科研团队用其中的0.2g进行研究，发现了月球土壤的一些特征。

“嫦娥五号月壤来自月球表面非常年轻的玄武岩。这种矿物质富含铁、钛等人工光合作用常用的催化剂成分。团队利用机器学习等方法对月球土壤的结构进行了多次分析，发现钛铁矿、氧化钛等8种晶体矿物可以对人工光合作用起到很好的催化作用。”姚对说道。

月壤的实际催化性能如何？研究团队将月球土壤作为光伏电解水、光催化分解水、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方面具有很高的性能和选择性。

“在这些实验中，我们应用模拟太阳光，以水和二氧化碳为原料，将月壤与美国模拟阿波罗计划取回的月壤和地球表面的玄武岩进行对比。发现嫦娥五号上的月壤在光伏电解水反应中产生氧气和氢气的效率最高。在二氧化碳的光热催化加氢中，嫦娥五号月壤产生甲烷和甲醇的效率高于其他材料。”姚颖高兴地说，氧气可以为人类提供生命支持，甲烷是火箭推进剂的有效成分，甲醇是有机化工原料。

还发现月壤表面有丰富的微孔和囊泡。“这种微纳结构进一步提高了月壤的催化性能。”姚对说道。

将努力在未来的太空计划中进行测试。

基于以上分析，根据月球环境，研究团队提出了利用月球土壤实现地球外人造光合成的策略和步骤。“利用月球上夜间-173左右的极低温度，将二氧化碳冷凝，从人类呼吸的空气中分离出来。然后利用太阳光，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，将人类呼出的废气和月球表面开采的水资源转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。姚说，利用地外人造光合成技术可能只需要月球上的太阳能、水和月球土壤就能产生氧气和碳氢化合物。这项技术有望借助月球表面的温度环境，实现低能耗、高效率的能量转换。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现有的催化剂，但姚表示，研究团队还将对月球土壤中的有效催化成分进行分离和提炼，争取更好的催化效果。