利用月壤自如呼吸

楊先碧

未來的月球基地

如果人類要生存下去，基本的需求是空氣、水和食物。其中空氣是排在第—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，人們可以用外星土壤來制造氧氣。近年來，美國(guó)和歐洲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。在有的研究中，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。但這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而制成氧氣。

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)家則對(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，這些氧并非是可以供人呼吸的氧氣，而是被鎖定在化合物中。因此，科學(xué)家要做的事情就是分解這些化合物，將氯氣釋放出來。

類似月壤的火山灰（左）和分解出氧氣后的殘?jiān)ㄓ遥?/p>

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，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些地方的月壤可以反射出很微弱的紫外線。以往研究表明，外星天體上紫外線放射區(qū)域通常含有氧氣。由此推斷，月壤是可以釋放出氧氣的。不過，包括月球在內(nèi)的外星天體即使能產(chǎn)生氧氣，那也只是在局部區(qū)域，而且氧氣含量極低，難以為航天員供氧。

人類的外星夢(mèng)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(mèng)想，就需要建造大規(guī)模的月球基地。建造及維持月球基地困難很多，因?yàn)榭茖W(xué)考察站所需的物資全部要從地球運(yùn)輸過去。飲水和食物也許可以計(jì)劃著來用，但是氧氣的需求不可或缺，只要短缺就會(huì)致命，因此氧氣供應(yīng)必須在月球“當(dāng)?shù)亍蓖瓿伞?/p>

如果能在月球上就地解決氧氣的供應(yīng)問題，也許能促進(jìn)未來實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)或其他外星探測(cè).因?yàn)樵虑驅(qū)⑹菫橥庑翘綔y(cè)服務(wù)的重要中轉(zhuǎn)站。為此，各國(guó)科學(xué)家都在研究利用月壤造氧的技術(shù)。美國(guó)國(guó)家航空航天局曾經(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(jìng)賽”，獎(jiǎng)金為25萬(wàn)美元，鼓勵(lì)科學(xué)家獨(dú)辟蹊徑，找到獲取氧氣的新途徑。這項(xiàng)競(jìng)賽由美國(guó)國(guó)家航空航天局和佛羅里達(dá)太空研究所聯(lián)合發(fā)起，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。

不過，美國(guó)這項(xiàng)競(jìng)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(guó)國(guó)家航空航天局的科學(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(cè)試，結(jié)果獲得了20克氧氣。該局希望在未來將這種造氧機(jī)送上月球，一旦該機(jī)器在月球上通過測(cè)試，那么將為建立永久月球基地掃滴最大的障礙。

歐洲科學(xué)家和他們的月球造氧機(jī)

在美國(guó)科學(xué)家獲得成功之后，歐洲空間局韻科學(xué)家也開發(fā)出造氧機(jī)。而且，歐洲科學(xué)家沒有像美國(guó)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)家將這種新發(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(yáng)光，將火山灰的溫度加熱到2500℃。在最近的測(cè)試中，“月球造氧機(jī)”將陽(yáng)光聚焦到了100克火山灰上，結(jié)果幾小時(shí)后，就獲得了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(cè)到的月球上的微量氧氣可能也是熱分解的結(jié)果。

除了這一聚焦陽(yáng)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”。他們將火山灰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)，主要是能讓加入火山灰的熔融混合物通電，這樣原本不能導(dǎo)電的火山灰也能被電流分解了。

為什么無(wú)論美國(guó)科學(xué)家還是歐洲科學(xué)家，都是用火山灰而不是月壤來做實(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2千克月壤，成功返回地球，勝利完成了中國(guó)的首次地外天體采樣返回任務(wù)。這也是自蘇聯(lián)1976年的“月球24號(hào)”無(wú)人探測(cè)任務(wù)以來首次獲得新的月壤樣品。如此珍貴的月壤樣品，自然不可能讓科學(xué)家用高溫“燒壞”了。

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廠。工廠里的人會(huì)很少，主要是機(jī)器人在忙碌。數(shù)以萬(wàn)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)比地球上更輕松，因?yàn)樵虑虻闹亓Ρ鹊厍蛐〉枚?。機(jī)器人將把挖掘出來的月壤送進(jìn)一個(gè)巨大的造氧機(jī)。這個(gè)機(jī)器“吃進(jìn)”去的是月壤，“吐出”的是氧氣，還有建造月球基地可用的礦物質(zhì)。

美國(guó)國(guó)家航空航天局的科學(xué)家認(rèn)為：造氧技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是我們可以靠月球土地而生活，而不需要浪費(fèi)地球上的有限資源。通過造氧機(jī)，你可以呼吸到純凈的氧氣，盡管造氧機(jī)產(chǎn)出的氧氣中還混有一些其他氣體，比如氦氣，但它們含量非常少，不會(huì)形成任何危險(xiǎn)。

設(shè)想中的月球造氧廠

參與歐洲空間局造氧機(jī)研究的科學(xué)家表示：月球造氧廠是定居月球的基本保障。無(wú)論是從為航天員供氧的角度來考慮，還是從生產(chǎn)火箭燃料方面來考慮，能夠從月球本身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。