科学探索|用了0.2克月壤，他们发现重大秘密用了0.2克月壤，他们发现重大

第一次用月球土壤做实验，称量0.02克，南京大学教授姚颖方紧张得整个手都在发抖。他所做的研究，是利用月球土壤中的一些成分作为人工光合成催化剂，把人类呼出的二氧化碳、月球表面开采的水等，制造成氧气、氢气、甲烷以及甲醇。
如能掌握这项技能，就算没有地球的补给，人类也能在月球上就地取材，生产氧气、水等生存所必须的东西。它可以帮助人类构建月球基地和月球中继站，为更遥远的宇宙探索和星际旅行提供能源补给。
近日，由中国空间技术研究院嫦娥五号探测器系统总指挥、总设计师杨孟飞院士，中国科学院物理研究所汪卫华院士，以及南京大学邹志刚院士领衔的研究团队，提出了月球地外人工光合成策略。研究成果发表在国际权威期刊《焦耳》（Joule）上。
筛选出两种方式，实现月壤高效催化
要想在月球上居住和生存，水、氧气和能源必不可少，靠地球输送始终是杯水车薪，科研人员希望能从月球“土著”资源寻找更多可能性。
两年前，NASA曾宣布在月球表面有水分子存在，我国发射的嫦娥五号探测器通过对月壤进行原位探测，更是实锤了月球上有水资源存在。
水不仅能够供宇航员饮用，还能转化为两个宝贝。“我们前期参与了中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室牵头的一个项目，叫月球表面水资源的开采和光化学转化，也就是把水分解成氢气和氧气。”论文第一作者姚颖方在接受《中国科学报》采访时说。
拿到嫦娥五号带回的月壤后，团队特别想看看月壤作为催化材料是否也能实现水变氢气和氧气，以及月壤能不能在二氧化碳的转化中发挥一定作用。
这次获得的月壤是月球表面非常年轻的玄武岩，这种矿物中富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。“我们通过机器学习等方法，分析出月壤中大约有24种矿物成分，其中的钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石，以及多种铁基化合物等8种成分都有较好的光催化性能。”姚颖方介绍。
而且，月壤表面本身就有很丰富的微孔和囊泡结构，还能进一步提高月壤的催化性能。能在月壤中发现这些天然存在的优势都非常难得。
为了寻找最优方案，科研团队对月壤催化进行了多种尝试，来评估其性能。比如用光伏电解水的方式实现氢气和氧气的转化；光催化水分解成氢气和氧气；光催化二氧化碳转化成一氧化碳、甲烷和甲醇；光热催化二氧化碳加氢产生甲烷和甲醇。

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月球地外人工光合成过程图。受访者供图
【科学探索|用了0.2克月壤，他们发现重大秘密】最终，他们筛选出光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢这两种方式，可以实现最高的月壤催化效率，而且得到的物质更有用、更纯净。
“甲烷作为一种燃料，是非常好的航天器推进剂；甲醇的用处就更广了，我们身上穿的、用的，很多有机化合物里都有甲醇作为原料。而能源源不断生产甲醇，意味着我们可以在月球建立甲醇化工厂，来实现人类所需求的化学品。”姚颖方说。
用月壤催化得到的氧气、氢气、甲烷以及甲醇这四种物质，都是人类在月球表面生存且构筑基地和中继站所必须的物质。作为月球上最丰富的资源之一，月壤资源有着巨大的发展空间和潜力。
原地原位，大幅度降低发射载荷和成本
在这之前，科学家们已经提出了许多地外生存的策略，但是大多数设计都依赖来自地球的能源。