左圖為反應(yīng)前的月壤模擬物，右圖為反應(yīng)后殘留下的合金（圖片來(lái)源：Beth Lomax, University of Glasgow）
我們都知道，月球沒(méi)有大氣層，但這并不代表月球上沒(méi)有氧。例如，月壤中就含有45%左右的氧。而英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的一位研究者，基于我們高中就學(xué)到的知識(shí)——電解法，開(kāi)發(fā)出了從月壤中高效制備氧氣的方法。
撰文 | 二七
審校 | 王昱
在討論向宇宙進(jìn)發(fā)時(shí)，月球總是人類(lèi)移民夢(mèng)想的目的地之一。但想在月球生存下來(lái)并不容易，在擔(dān)心月壤不能種菜之前，月球基地需要解決一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——氧氣。
我們都知道，月球沒(méi)有大氣層，想要在月球上生活、工作必須“自帶氧氣”。對(duì)載人飛船或是空間站這些載人航天器來(lái)說(shuō)，只需要滿(mǎn)足幾名宇航員的生活需求就可以了，氧氣需求相對(duì)比較容易解決：這些航天器的制氧系統(tǒng)都是類(lèi)似的，根本原理就是我們熟悉的電解水。
然而如果想要建設(shè)月球基地，讓更多的人生活在月球上，甚至把月球建設(shè)成“太空驛站”為更進(jìn)一步的宇宙探索提供補(bǔ)給的話(huà)，電解水看起來(lái)就不太“劃算”了。尤其是考慮到目前人類(lèi)使用的化學(xué)動(dòng)力火箭載荷有限，要千里迢迢地往月球運(yùn)水，不僅困難，還成本極高。想要解決這個(gè)問(wèn)題，還是得從月球自身的資源下手。
氧氣來(lái)源
要解決這個(gè)問(wèn)題，一種思路是直接在月球上找水：如果能在月球直接獲得大量水資源，就可以用成熟的電解水技術(shù)，“輕松”提供足夠的氧氣。基于已有的觀測(cè)，目前已經(jīng)能確認(rèn)月球兩極地區(qū)存在水冰。尤其是月球南極-艾肯盆地附近地區(qū)，探測(cè)器已經(jīng)證實(shí)這里有大量水冰。
這樣看來(lái)，電解水似乎依然是個(gè)好主意。然而問(wèn)題在于，水冰并沒(méi)有想象中容易開(kāi)采。一方面，我們對(duì)月球上水冰的數(shù)量、分布和存在狀態(tài)還并不完全了解；另一方面，根據(jù)估計(jì)，水冰存在的區(qū)域溫度極低，可以達(dá)到-150℃，甚至低于-200℃，無(wú)論是想要從這些低溫地區(qū)穩(wěn)定地開(kāi)采水冰，還是要把開(kāi)采的水冰穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)皆虑蚧兀碱H具挑戰(zhàn)。
在月球高緯度地區(qū)，高聳的環(huán)形山能造就陽(yáng)光永遠(yuǎn)照不到的區(qū)域，這些地方的溫度永遠(yuǎn)不會(huì)高于-163℃，為水冰的存在提供了條件（圖片來(lái)源：NASA）
相比之下，另一種思路是利用月球上更為豐富易得的資源——月壤。和地球類(lèi)似，月球最外層也有一圈巖石圈。地球上的巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)吹雨淋和生物作用，會(huì)風(fēng)化形成土壤。而對(duì)月球來(lái)說(shuō)，由于缺少大氣層保護(hù)，表面的巖石會(huì)直接暴露在太陽(yáng)輻射的“風(fēng)”和隕石“雨”的轟擊之下，遭受“太空風(fēng)化”。雖然缺少生物和化學(xué)作用，但月球的巖石圈也會(huì)在太空風(fēng)化和物理風(fēng)化作用下破碎成極細(xì)的顆粒，廣泛分布在月球表面，厚度可達(dá)幾米到十幾米，這就是月壤。
月壤中的主要成分包括二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鎂等各種氧化物和含氧化合物。對(duì)月壤樣品的分析結(jié)果顯示，氧元素的質(zhì)量占總質(zhì)量的41%~45%，是月壤中含量最高的元素——可以說(shuō)根本不用愁原料來(lái)源了。但問(wèn)題在于，我們不能直接“吸石頭”，還是要想辦法把礦物中緊密結(jié)合的氧元素提取出來(lái)，制備成可供呼吸的氧氣。
嫦娥四號(hào)著陸區(qū)域的地下淺層結(jié)構(gòu)，傳回的物性參數(shù)和雷達(dá)圖像顯示，地下0~12米主要由細(xì)粒月壤組成。（圖片來(lái)源：Li et al., 2020）
月壤制氧
從氧化物或含氧化合物中提取氧氣的思路有很多，各國(guó)研究者也曾做過(guò)許多嘗試。例如，一些研究嘗試用氫氣還原月壤中的氧化鐵，獲得液態(tài)水，再通過(guò)電解水制備氧氣。但這種方法的產(chǎn)量（指提取的氧氣重量/作為原料的月壤重量，下同）只能達(dá)到1%~3%，同時(shí)還只能應(yīng)用在鐵含量比較高的月壤原料上。另一種嘗試是直接電解熔融的月壤，這種方法并不太受月壤成分的影響，理論上的產(chǎn)量也可以達(dá)到20%~30%，但需要1600℃的高溫使月壤達(dá)到熔融狀態(tài)。
有沒(méi)有產(chǎn)量更高，溫度更低的方法呢？格拉斯哥大學(xué)的研究人員貝薩妮·洛馬克斯（Bethany Lomax）使用了“熔鹽電解”（molten salt electrolysis）法，成功實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，并且在地球上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
研究者將月壤放入一個(gè)金屬的籃子中，并將熔融的CaCl?作為電解質(zhì)。將CaCl?加熱到熔融只需要950℃，在這個(gè)溫度下，月壤依然保持固態(tài)，然而電流可以讓其中的氧穿過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極，變成氧氣釋放出來(lái)。
當(dāng)然，研究者并沒(méi)有使用寶貴的月壤來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。他們參考了以往對(duì)月壤成分的分析結(jié)果，選擇使用舊金山火山群的火山凝灰?guī)r來(lái)作為月壤的替代品。根據(jù)測(cè)量，50小時(shí)后，樣品中96%的氧被提取出來(lái)制備成了氧氣。同時(shí)，75%的氧在前15小時(shí)就能被提取出來(lái)。
顯微鏡下，月壤模擬物實(shí)驗(yàn)前（上）和實(shí)驗(yàn)后（下）的變化。（圖片來(lái)源：ESA）
事實(shí)上，這種熔鹽電解的方法已經(jīng)被英國(guó)公司Metalysis充分開(kāi)發(fā)，并且應(yīng)用于商業(yè)金屬和合金生產(chǎn)中了。“對(duì)Metalysis的生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的氧氣是不需要的副產(chǎn)品，因此會(huì)使用石墨陽(yáng)極除去氧氣”，洛馬克斯在攻讀博士學(xué)位期間曾在該公司工作研究這一過(guò)程，隨后，他意識(shí)到這個(gè)技術(shù)可以應(yīng)用到月壤，“但氧氣反而是我們?cè)谠虑蜃钚枰臇|西，所以我們重新設(shè)計(jì)了一個(gè)（以制氧為目的的）版本。”
Metalysis公司金屬生產(chǎn)工藝的基本概念圖，電解質(zhì)為熔融的CaCl2,作為陰極的金屬氧化物被還原為相應(yīng)的金屬，同時(shí)在石墨陽(yáng)極產(chǎn)生CO和CO?。
但反應(yīng)剩下的部分也并不是廢料，“生產(chǎn)過(guò)程留下了一堆不同的金屬”，歐洲航天局的研究人員亞歷山大·默里斯（Alexandre Meurisse）補(bǔ)充道，“這會(huì)是另一個(gè)很有用的研究方向，我們可以嘗試將它們直接用于3D打印，作為月球基地的建筑材料。”
目前，研究者試圖通過(guò)調(diào)整電流和反應(yīng)試劑來(lái)增加氧氣產(chǎn)量和降低所需溫度。同時(shí)，他們還在嘗試縮小設(shè)備的體積，以便于將其運(yùn)到月球。
歐洲航天局的研究者正在操作儀器（圖片來(lái)源：ESA）
氧氣夠用嗎？
那么月壤能為我們提供多少氧氣呢？澳大利亞南十字星大學(xué)的土壤科學(xué)講師約翰·格蘭特（John Grant，并未參與這項(xiàng)研究）進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的計(jì)算：
“只考慮月壤的話(huà)，每立方米平均重1.4噸礦物質(zhì)，包括約630千克氧氣。而根據(jù)估計(jì)，人類(lèi)每天需要呼吸約800克氧氣才能生存。所以630千克的氧氣可以讓一個(gè)人存活大約2年。
“現(xiàn)在讓我們假設(shè)月壤的平均深度約為10米，我們可以從中提取所有氧氣。這意味著月球表面的10米將提供足夠的氧氣來(lái)支持地球上所有80億人大約 100 000年的時(shí)間。
“這也取決于我們究竟能多有效地提取和使用氧氣。不管怎樣，這個(gè)數(shù)字還是相當(dāng)驚人的！”
話(huà)雖如此，但在地球上，人類(lèi)甚至不需要努力就能獲得充足的氧氣來(lái)維持生存——我們還是應(yīng)該盡一切努力保護(hù)這顆藍(lán)色星球。
參考鏈接：
https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_opens_oxygen_plant_making_air_out_of_moondust
https://theconversation.com/the-moons-top-layer-alone-has-enough-oxygen-to-sustain-8-billion-people-for-100-000-years-170013
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063319301758
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