用0.2克月壤催化生产氧气和燃料 中国科学家发现月球“生存之道”

第十三届中国国际航空航天博览会上展示的月壤。新华社发

月球基地插图 CFP供图

月壤催化四种尝试

嫦娥五号带回来的月球“土特产”又有新发现。近日，南京大学邹志刚院士、姚颖方教授团队与多所高校、科研院所合作，通过研究0.2克月壤样本，发现其中一些成分可作为催化剂，在太阳光作用下，将水和二氧化碳转化为氧气和燃料。

基于这一发现，研究人员提出，未来可以利用月球自身资源建设月球基地，支持深空探测、研究和旅行。

这项研究由南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学合作完成。相关成果发表在国际学术期刊《焦耳》上。

据论文第一作者、南京大学教授姚颖方介绍，2021年以来，作为中国空间技术研究院联合研究团队成员，南京大学团队对1克月壤开展了研究。此次研究人员采用机器学习等研究方法，详细分析了其中0.2克样本的结构组成。

在南京大学月球样品实验室，记者见到了存放月壤样本的“手套箱”。这台机器的内部环境与外界隔绝，研究人员需要将双手伸入手套筒内方能操作。姚颖方告诉记者，“手套箱”通过不断向内部注入氮气，将氧气和水分的含量控制在极低水平，并保证内部气压高于外部，以防止月壤样本受到污染。

“在本研究中，我们从材料学角度，对月壤进行详细的矿物分析，发现了24种主要矿物。”姚颖方表示，“嫦娥五号月壤样本主要来自月球表面的玄武岩，富含铁、钛等元素，而这些是人工光合成中常用的催化剂成分。”

研究人员将月壤用作催化剂，参与光伏电解水、光催化水分解、光催化二氧化碳还原、光热催化二氧化碳加氢等4项反应。结果显示，在光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢反应中，月壤样本表现出优于地球玄武岩的催化性能。

“这些反应以水和二氧化碳为原料，在模拟太阳光的照射下，生成氧气、氢气、甲烷和甲醇。”姚颖方介绍，“其中，氧气是人类赖以生存的资源，氢气和甲烷是火箭推进剂的重要组成部分，甲醇则是重要的化工原料。”

“或许我们以后能够在月球建设一座小型化工厂。”姚颖方告诉记者，此次研究旨在考察月壤能否被资源化利用。“如果我们能够在月球上就地取材，将月球自身资源以及人体代谢废物转化为资源和能源，就可以减小载人航天的成本。”

姚颖方介绍，每一份月壤都是无价之宝，正式实验前，研究人员会使用地球表面的玄武岩碎屑等物质做模拟实验。

“但是与地球样本相比，嫦娥五号月壤样本的催化性能高出一个数量级，而且表现出更好的选择性。”姚颖方表示，所谓“选择性”是指催化反应产物的专一性。“月壤的催化产物只有甲烷和甲醇两种物质。用地球上的玄武岩屑做实验，催化产物也有少量甲烷和甲醇，但绝大部分是一氧化碳。虽然一氧化碳也可燃，但因为它的毒性，我们还是不希望在航空航天活动中见到它。”

为什么月球表面和地球表面的玄武岩屑不一样？研究人员推测，太阳风数以几十亿年计的“吹拂”发挥了作用，尤其是太阳风带有的氢、氦等元素“改造”了月壤。“对此我们正在进一步研究。”姚颖方说。

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嫦娥五号带回的月壤去了哪

共计1731克，分给13所科研机构17.4764克

2021年7月12日，国家航天局探月与航天工程中心在京举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式，标志着月球样品科学研究工作正式启动。经审核，来自13所科研机构的31份申请获得通过，嫦娥五号带回的1731克月壤，发放样品总量17.4764克。

作为中国空间技术研究院联合研究团队成员，南京大学研究团队对1克月壤开展了研究。南京大学是第一批发放月壤的13家科研单位里唯一一个以材料、催化和能源作为切入点的联合研究团队。月壤来之不易，第一站落户南京大学环境材料与再生能源研究中心，是因为这里有一支国内外知名的地外人工光合成研究团队，集合了国内最顶尖做地外人工光合成的人才力量。

月壤的“新家”位于韶山市清溪镇石山村天鹅山。“新家”内部有专门的存储间和存储装置，能够避免月壤受到各种物理、化学过程影响。2021年12月25日上午，嫦娥五号备份存储样品交接仪式在韶山市举行，国家航天局向湖南大学交接月球样品备份证书，这标志着探月工程月球样品备份存储韶山基地正式启用。

据了解，2014年，湖南大学获批在韶山市天鹅山建设全国唯一的月球样品备份存储基地。2021年11月，这一项目通过竣工验收及批复，具备月球样品备份存储条件。“月壤存储要做到安全可靠，条件非常苛刻。”探月工程三期总设计师胡浩说，备份存储设备按照略高于大气压的充氮环境进行设计研制，满足月壤长期存储、基本特性保持不变的要求。

弥足珍贵的月壤有啥用

南京大学教授姚颖方至今都清晰地记得第一次用了0.02克月壤，当时还发生了一件好笑的事情。姚颖方想让自己的学生来开启这神圣的时刻，没想到学生太激动以至于不敢操作，亲自上阵的他也是格外紧张，“在称量0.02克月壤的时候，我整个手紧张到发抖，月壤实在太宝贵了。”

全世界科学家对美国阿波罗样品已经研究了50多年，中国探月工程嫦娥五号任务获取的月球样品是人类从月球获取到的最新月球样品，科研价值巨大。

在北京接到了珍贵的科研月球样品，中山大学大气学院空间与行星科学系行星地质科学研究团组带头人肖智勇副教授告诉记者，样品接收回去后，在以往研究基础上，中大团队将着重瞄准月球撞击过程和撞击历史开展样品分析研究，接下来对样品进行精细的地球化学研究。月球样品专家委员会主任、中科院院士朱日祥表示，对嫦娥五号样品的研究对我国后续月球与深空探测具有重要的指导作用。

未来，嫦娥六号还要完成月球采样返回，火星采样、小行星采样已列入长期规划。

本组稿件据新华社 中国科学报