利用月壤自如地呼吸

楊先碧

設(shè)想中的月球造氧廠

如果人類要生存下去，那么基本的需求是空氣、水和食物。其中，空氣是排在第一位的，因?yàn)槿祟惾毖鯉追昼娋蜁?huì)死亡。因此，人類移民外星的第一要?jiǎng)?wù)是解決氧氣短缺的問題?？茖W(xué)家認(rèn)為，人們可以利用外星土壤來制造氧氣。近年來，美國和歐洲的研究人員在這方面的研究有所突破，他們已經(jīng)發(fā)明出獨(dú)特的造氧機(jī)，可以利用類似月壤的火山灰制造氧氣。

月壤中含有氧

月壤就是月球上的土壤，包括月表顆粒很細(xì)的月塵，以及月塵下顆粒稍粗的沙土。有的研究中，月壤還包括月球上那些塊頭較大的沙石或巖石。利用像沙子一樣的月壤來制取氧氣，聽起來有點(diǎn)不可思議，但是，從理論上講是完全可行的。月壤主要由硅氧化物和其他礦石構(gòu)成，因此可將其中的氧原子釋放出來，制成氧氣。

自從50多年前“阿波羅”飛船帶回月壤樣本以來，科學(xué)家就對(duì)月壤進(jìn)行了廣泛的研究。之前，科學(xué)家主要研究月壤對(duì)飛船及宇航服的影響，還有月壤對(duì)未來月球基地的潛在影響。近年來，科學(xué)家對(duì)月壤的化學(xué)成分更感興趣。研究表明，月壤中氧元素的含量很高，其質(zhì)量百分比為40%～45%。問題是，這些氧被鎖定在化合物中，并不能直接可以供人呼吸。因此，科學(xué)家要做的事情就是分解這些化合物，將氧氣釋放出來。

歐洲科學(xué)家和他們的造氧機(jī)

分解出氧氣后的火山灰殘?jiān)娘@微結(jié)構(gòu)

這種設(shè)想并非空穴來風(fēng)。在月球上，很可能已經(jīng)發(fā)生了天然的月壤分解并釋放氧氣的化學(xué)反應(yīng)。科學(xué)家利用天文望遠(yuǎn)鏡觀察了“阿波羅”飛船曾經(jīng)降落的地方，通過使用專門的過濾器，發(fā)現(xiàn)這些地方的月壤放射出很微弱的紫外線。以往的研究表明，外星天體上紫外線放射區(qū)域通常含有氧氣。不過，包括月球在內(nèi)的外星天體即使能產(chǎn)生氧氣，也是在局部區(qū)域，而且氧氣含量極低，難以為宇航員供氧。

月壤造氧競賽

人類的外星夢想之一是像神話傳說中的嫦娥那樣在月宮中居住。要實(shí)現(xiàn)這樣的夢想，就需要建造大規(guī)模的月球基地。實(shí)現(xiàn)及維持月球基地的困難很多，因?yàn)榭茖W(xué)考察站所需的物資全部要從地球上運(yùn)輸過去。飲水和食物還可以計(jì)劃著來，但是氧氣的消耗彈性比較大，萬一短缺就會(huì)致命，因此氧氣供應(yīng)必須在月球上就地解決。

如果能在月球上解決氧氣的供應(yīng)，那么，也許能促進(jìn)未來實(shí)現(xiàn)載人火星之旅或其他外星探測，因?yàn)樵虑驅(qū)⑹侨祟愡M(jìn)行外星探測的重要中轉(zhuǎn)站。為此，各國科學(xué)家都在研究利用月壤造氧的技術(shù)。美國曾經(jīng)專門為月球的造氧問題設(shè)置了一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)“月壤造氧競賽”，獎(jiǎng)金高達(dá)25萬美元，鼓勵(lì)科學(xué)家獨(dú)辟蹊徑，找到制取氧氣的新途徑。這項(xiàng)競賽是由美國宇航局和佛羅里達(dá)太空研究所聯(lián)合發(fā)起的，激勵(lì)化學(xué)工程師們大膽創(chuàng)新技術(shù)，以便于未來人類開辟太空新領(lǐng)地。

?類似月壤的火山灰的顯微結(jié)構(gòu)

類似月壤的火山灰（左）和分解出氧氣后的殘?jiān)ㄓ遥?/p>

不過，美國這項(xiàng)競賽的原料并非月壤，而是和月壤成分差不多的火山灰。結(jié)果，美國宇航局的科學(xué)家成功制造出一種造氧機(jī)，他們對(duì)100克類似月壤的火山灰進(jìn)行了測試，結(jié)果獲得了20克氧氣。未來，美國宇航局希望將這種造氧機(jī)送上月球，一旦該機(jī)器在月球上通過測試，那么將為建立永久月球基地掃清最大的障礙。

美國科學(xué)家獲得成功之后，歐洲空間局的科學(xué)家也開發(fā)出造氧機(jī)。而且，歐洲科學(xué)家沒有像美國科學(xué)家那樣對(duì)相關(guān)技術(shù)秘而不宣，而是公布了造氧的具體方法。歐洲科學(xué)家將這個(gè)新發(fā)明命名為“月球造氧機(jī)”，其核心部件是一個(gè)類似透鏡的結(jié)構(gòu)，可以聚焦陽光，將火山灰的溫度加熱到2500℃。在最近的測試中，“月球造氧機(jī)”將陽光聚焦到了100克火山灰上，結(jié)果幾小時(shí)后，就成功獲得了20克氧氣。由于月球在白天也可能出現(xiàn)局部高溫，因此科學(xué)家認(rèn)為之前天文望遠(yuǎn)鏡觀測到的月球上的微量氧氣可能也是熱分解的結(jié)果。

未來的月球基地

除了這一聚焦陽光“榨取”氧氣的方法外，歐洲科學(xué)家還設(shè)計(jì)了一些其他“月球造氧方法”。他們使用電解熔融鹽的方法，開發(fā)出“熔融造氧設(shè)備”——將月壤添加到熔融的氯化鈣鹽（其溫度為950℃）中，然后給熔融的混合物通電，氧氣就“咕嘟嘟”地從熔融物中冒了出來。在這個(gè)設(shè)備中，氯化鈣熔融鹽的作用類似于電解質(zhì)，主要是能讓加入月壤的熔融混合物通電，這樣原本不能導(dǎo)電的月壤也能被電流分解了。

那么，無論美國科學(xué)家還是歐洲科學(xué)家，為何都是用火山灰，而不是用月壤來做實(shí)驗(yàn)？那是因?yàn)樵氯缹?shí)在太珍貴了。2020年12月17日凌晨，“嫦娥五號(hào)”返回器攜帶近2千克月壤，成功返回地球，勝利完成了我國的首次地外天體采樣返回任務(wù)。如此珍貴的月壤樣品，自然不可能讓科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)了。

在月球修建造氧工廠

如果造氧技術(shù)可行，那么人們就可以在月球上廣泛修建造氧工廠。這個(gè)工廠的人類工人將會(huì)很少，主要是機(jī)器人在忙碌。數(shù)以萬計(jì)的機(jī)器人首先要做的事情是挖土。從月球上挖土將會(huì)比在地球上輕松，因?yàn)樵虑虻闹亓Ρ鹊厍蛐〉枚唷C(jī)器人將挖掘出來的月壤送進(jìn)一個(gè)巨大的造氧機(jī)內(nèi)。這個(gè)機(jī)器“吃進(jìn)去”的是月壤，“吐出”的是氧氣，以及建造月球基地可用的礦物質(zhì)。

美國宇航局的工程師艾里克·卡迪夫介紹道：“造氧技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是我們可以靠月壤而生活，而不需要浪費(fèi)地球上的有限資源。通過造氧機(jī)，我們可以呼吸到純凈的氧氣。盡管我們產(chǎn)出的氧氣中還混有一些其他氣體，比如氦氣，但它們非常少，不會(huì)構(gòu)成任何危險(xiǎn)?！?/p>

參與歐洲空間局“造氧機(jī)”研究的科學(xué)家貝絲·洛馬克斯表示：“月球造氧廠是定居月球的基本保障。無論是從為宇航員供氧的角度來考慮，還是從生產(chǎn)火箭燃料方面來考慮，能夠從月球上發(fā)現(xiàn)的資源中獲取氧氣，對(duì)未來的月球定居者而言都將大有裨益?！?/p>