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嫦娥五号重磅发现!中国科学家:月壤能制造火箭燃料和氧气!

根据《焦耳》(Joule)杂志刊载的一项最新研究[1],来自我国南京大学的科学家分析了嫦娥五号的月球土壤,结果有了一项重磅发现月壤可以作为巨大的火箭燃料来源,未来的星辰大海就能从月球开始。那么,月壤中究竟有什么东西呢?

月球是迄今为止人类唯一涉足过的外星世界,而且到过的人凤毛麟角。半个世纪前,美国宇航局(NASA)的阿波罗载人登月飞船,先后6次成功登陆月球正面,12位宇航员踏上了月球表面。

阿波罗宇航员在月表上收集了不少的月壤和月岩,最终带回了381公斤的月球样品。1978年,美国送了一颗1克重的月岩给我们,当时我国科学家用了其中一半做研究,分析了月球物质的成分。

但0.5克的月岩用于研究还是太少了,想要深入了解月球成分,我们需要更多的月球样品。终于在2020年,我国发射的嫦娥五号无人探测器成功登陆月球,挖到了1.731公斤的月岩和月壤,并成功将它们带回地球。

目前,嫦娥五号的月球样品已经进行了4次分发,我国很多科研院校正在对月壤和月岩开展广泛而又深入的研究。通过研究发现,嫦娥五号带回的样品只有20亿年左右,这要比阿波罗样品年轻了至少十几亿年,表明月球的地质活动时期要比此前认为的更长很多。

除了研究月球的演化史之外,科学家还有非常重要的研究目标,那就是寻找月壤和月岩中蕴藏的资源。此前,我国科学家测定了嫦娥五号月球样品的各种元素含量,结果发现这与阿波罗月球样品的差异非常大。

嫦娥五号月球样品的重磅发现

根据这项新研究,南京大学的科学家发现,嫦娥五号月球样品中存在富含铁和钛的化合物,这可以被用作催化剂,并且在太阳光的作用下,就能把水转变成氧气,把二氧化碳转变成火箭燃料。这项发现具有非常重大的现实意义。

虽然月球离地球很近,都在太阳系的宜居带内,但两个星球的环境却是迥然不同。地球被大气层覆盖,地表有可供生物呼吸的氧气,还有大量的液态水,成百上千万个物种在地球上繁衍生息。

相比之下,月球显得非常贫瘠,月表遍布陨石坑和玄武岩月海,没有大气层,没有液态水,没有任何的生机,一片死寂。月壤中不存在有机养分,要想直接在月壤上种菜也是不可能的。

尽管月球上没有生机,而且也不能种菜,但月球上蕴藏的资源是非常有用的。未来,我国计划在月球上建造月球科研站,之后不但要实现载人登月,而且还要让人长期驻留在月球基地中。

为了让人类能够在月球上生存下去,就需要强大的月球生命保障系统,其中氧气和水是两大关键要素。先前的研究表明,嫦娥五号着陆地的月壤中含有水,每吨月壤的含水量为120克。另外,在太阳光照射不到的永久阴影区中,还有以冰形式存在的水。

除了从月球上提取水之外,宇航员呼出的水汽、二氧化碳也可以被收集起来。水、二氧化碳分子中都含有氧原子,如果能把其中的氧原子分离出来,就能得到宝贵的氧气。

这一次,我国的科学家发现月壤中存在富含铁和态的化合物,它们在太阳光的作用下,能够作为一种高效催化剂,把水电解成氧气、氢气。由此制得的氧气可供宇航员呼吸,同时氧气又能与氢气制成液氢-液氧火箭燃料。

此外,二氧化碳与电解水制得的氢气又能进一步反应,在月壤催化剂和太阳光的作用下,通过加氢反应,还能产生甲烷、甲醇这样的化合物,甲烷是制造火箭燃料的主要成分之一。

不需要额外的能量输入,只用月球上的资源和太阳光,就能获得氧气和燃料,研究人员将其称之为“外星光合作用”。不仅如此,这种过程也不需要从地球上运送资源过来。

由于地球强大的引力和大气层作用,从地球上发射火箭需要消耗巨大的燃料。而月球没有大气,并且月表重力只有地球上的六分之一,再加上还能在月球上大量制造火箭燃料,所以月球就能成为深空探测的跳板,让人类飞向更加遥远的太空。同时,开采到的月球资源也有望运回地球。

除了水和氧气之外,宇航员的生存还需要食物。尽管月壤无法直接用于种菜,但如果能够深入研究月壤成分,对其进行改良,未来也是有望实现种菜的。另一方面,我国科学家此前研制出了用二氧化碳人工合成淀粉、葡萄糖的方法,这也能用于解决月球上的食物问题。

月球上的资源不止于此,月表上富含多种矿物,其中一些是地球上非常罕见甚至没有的。在这些资源中,氦-3极为珍贵,因为它们是完美的可控核聚变燃料,它们在地球上十分罕见,但在月壤中大量存在,储量可达上百万吨。只需一二十吨的氦-3,就能满足我国一年的能量需求。目前,我国科学家正在探究从月壤中提取氦-3的方法。

无论是通过月壤催化剂、太阳光、水、二氧化碳来制造氧气和化学燃料,还是从月壤中开采氦-3这样的资源,谁先掌握这样的技术,谁就能在月球上抢占先机,我们不能再错过“大航天时代”了。

参考文献

[1] Yingfang Yao, Lu Wang, Xi Zhu, et al. Extraterrestrial photosynthesis by Chang’E-5 lunar soil, Joule, 2022, DOI: 10.1016/j.joule.2022.04.011.