第一次用月球土壤做實驗，稱量0.02克，南京大學教授姚穎方緊張得整個手都在發抖。他所做的研究，是利用月球土壤中的一些成分作為人工光合成催化劑，把人類呼出的二氧化碳、月球表面開採的水等，製造成氧氣、氫氣、甲烷以及甲醇。
如能掌握這項技能，就算沒有地球的補給，人類也能在月球上就地取材，生產氧氣、水等生存所必須的東西。它可以幫助人類構建月球基地和月球中繼站，為更遙遠的宇宙探索和星際旅行提供能源補給。
近日，由中國空間技術研究院嫦娥五號探測器系統總指揮、總設計師楊孟飛院士，中國科學院物理研究所汪衛華院士，以及南京大學鄒志剛院士領銜的研究團隊，提出了月球地外人工光合成策略。研究成果發表在國際權威期刊《焦耳》（Joule）上。
篩選出兩種方式，實現月壤高效催化
要想在月球上居住和生存，水、氧氣和能源必不可少，靠地球輸送始終是杯水車薪，科研人員希望能從月球“土著”資源尋找更多可能性。
兩年前，NASA曾宣布在月球表面有水分子存在，我國發射的嫦娥五號探測器通過對月壤進行原位探測，更是實錘了月球上有水資源存在。
水不僅能夠供宇航員飲用，還能轉化為兩個寶貝。“我們前期參與了中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室牽頭的一個項目，叫月球表面水資源的開採和光化學轉化，也就是把水分解成氫氣和氧氣。”論文第一作者姚穎方在接受《中國科學報》採訪時說。
拿到嫦娥五號帶回的月壤后，團隊特別想看看月壤作為催化材料是否也能實現水變氫氣和氧氣，以及月壤能不能在二氧化碳的轉化中發揮一定作用。
這次獲得的月壤是月球表面非常年輕的玄武岩，這種礦物中富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分。“我們通過機器學習等方法，分析出月壤中大約有24種礦物成分，其中的鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石，以及多種鐵基化合物等8種成分都有較好的光催化性能。”姚穎方介紹。
而且，月壤表面本身就有很豐富的微孔和囊泡結構，還能進一步提高月壤的催化性能。能在月壤中發現這些天然存在的優勢都非常難得。
為了尋找最優方案，科研團隊對月壤催化進行了多種嘗試，來評估其性能。比如用光伏電解水的方式實現氫氣和氧氣的轉化；光催化水分解成氫氣和氧氣；光催化二氧化碳轉化成一氧化碳、甲烷和甲醇；光熱催化二氧化碳加氫產生甲烷和甲醇。
月球地外人工光合成過程圖。 受訪者供圖
最終，他們篩選出光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫這兩種方式，可以實現最高的月壤催化效率，而且得到的物質更有用、更純凈。
“甲烷作為一種燃料，是非常好的航天器推進劑；甲醇的用處就更廣了，我們身上穿的、用的，很多有機化合物里都有甲醇作為原料。而能源源不斷生產甲醇，意味着我們可以在月球建立甲醇化工廠，來實現人類所需求的化學品。”姚穎方說。
用月壤催化得到的氧氣、氫氣、甲烷以及甲醇這四種物質，都是人類在月球表面生存且構築基地和中繼站所必須的物質。作為月球上最豐富的資源之一，月壤資源有着巨大的發展空間和潛力。
原地原位，大幅度降低發射載荷和成本
在這之前，科學家們已經提出了許多地外生存的策略，但是大多數設計都依賴來自地球的能源。
比如，NASA在2020年發射的“毅力號”火星探測器攜帶的火星氧氣現場資源利用實驗儀器（MOXIE），可以用火星大氣中的二氧化碳製造氧氣，但該儀器靠的是來自地球的同位素電池驅動，通過高溫條件下的電化學方式，來實現二氧化碳分解成一氧化碳和氧氣的過程。
“他們當時設計的標準是每小時10克的氧氣轉化效率，但由於種種原因，最終在火星表面實現了每小時約6克的轉化效率。”姚穎方表示，“效率非但不高，而且據說那個裝置還非常笨重，很有可能需要不斷地更換電池，這意味着要發射很多次飛船，每次發射都大大增加載荷。”
這篇論文里的這套地外人工光合成技術相對就簡單多了，利用的也完全是地外的資源與環境來生產氧氣、燃料和生存用品。
月球晚上的溫度為零下173攝氏度，二氧化碳在零下78.5攝氏度會變成乾冰，所以在月球夜間，可以將二氧化碳從人類呼出的氣體中直接分離，再用月球表面開採的水資源分解出氫氣和氧氣，氧氣供人呼吸，二氧化碳則和氫氣放到一起。到了白天，月球溫度高達127攝氏度時，可以巧妙實現原地原位二氧化碳加氫氣轉化成甲烷的過程。
“這樣做最大的好處是可以大幅度降低火箭發射載荷，減少飛船飛往月球甚至更遠外太空所需的成本，可以實現一個可承受且可持續的深空探測。”姚穎方說。
類比大航海時代，全世界已經達成一個共識，在不遠的將來，我們將進入大航天時代。而且，目前已經有人前赴後繼地探索太空，比如馬斯克的SpaceX公司，以及亞馬遜創始人Jeff Bezos等。
我國更是提出了要建設地月空間經濟區，中國科學院院士、國際宇航科學院院士包為民曾估計，到2046年，我們每年在地月經濟區的總產值至少達到10萬億美元的量級規模。
“如果我們想對地外世界進行大規模探索，就要儘可能少地依賴地球的補給，轉而使用地外資源，實現地外循環系統，這樣才能真正實現地月空間經濟區。”姚穎方表示，“我們的戰略是為可持續和可承受的外星生活環境提供一個‘零能耗’的生命保障系統。”
彌足珍貴的1克月壤
2021年7月12日註定是姚穎方一生都難以忘懷的日子。這天，他隨鄒志剛院士一起，到國家航天局探月與航天工程中心現場觀禮了月壤發放儀式。同時，作為中國空間技術研究院聯合研究團隊成員，南京大學研究團隊對1克月壤開展了研究。
“從頭到尾的過程都讓我激動不已！在此之前，我從未想過自己會加入到如此光榮的隊伍里，而且我們還是第一批發放月壤的13家科研單位里唯一一個以材料、催化和能源作為切入點的聯合研究團隊。”姚穎方每每想起那一時刻，仍舊心潮澎湃。
別看此次用於研究的月壤只有1克，卻彌足珍貴。要知道當年美國阿波羅號從月球帶回、做為國禮送給我國領導人的月壤，也只有0.5克。
月壤接回南京大學后，被保存到學校為其量身打造的超凈環境，該環境嚴格按照國家航天局頒發的《月球樣品使用規定》設計，氧氣含量不高於20ppm（parts per million，百萬分率），水蒸氣含量不高於50ppm。同時，儲存空間必須不間斷、零死角監控，實驗期間須進行實時影音記錄和文字記錄。
在嚴格規定的環境中稱量月壤。 受訪者供圖
姚穎方至今都清晰地記得第一次用了0.02克月壤，當時還發生了一件好笑的事情。姚穎方想讓自己的學生來開啟這神聖的時刻，沒想到學生太激動以至於不敢操作，親自上陣的他也是格外緊張，“在稱量0.02克月壤的時候，我整個手緊張到發抖，月壤實在太寶貴了。”
月壤來之不易，第一站落戶南京大學環境材料與再生能源研究中心，是因為這裡有一支國內外知名的地外人工光合成研究團隊，集合了國內最頂尖做地外人工光合成的人才力量。
鄒志剛院士 受訪者供圖
鄒志剛院士（右三）、姚穎方教授（左三）團隊與月壤合影。 受訪者供圖
團隊不僅有鄒志剛院士，還有中國科學院物理研究所汪衛華院士，以及中國空間技術研究院嫦娥五號探測器系統總指揮、總設計師楊孟飛院士，三位院士在中國空間技術研究院共同構建了地外生存物理化學過程院士工作室。
“正是基於這個工作室，我們才能夠有機會領取到這麼寶貴的月壤，此次研究用了其中的0.2克月壤。”姚穎方說。
這項研究由南京大學與中國空間技術研究院、香港中文大學（深圳）、中國科學技術大學合作完成，在整個研究過程中，團隊成員都非常團結，且幹勁滿滿，每個月都要進行研究過程和進展的彙報以及交流。更重要的是，他們在開展研究時也會盡最大努力保護月壤的原始性，最大限度減少研究過程中帶來的損耗。
姚穎方透露，他們正在尋找在太空測試該系統的機會，可能會與中國未來的載人登月任務一起進行驗證。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011