只靠阳光和月壤，人类就能在月球上生存了吗？

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撰文 |程雨祺李珊珊

责编 | 李珊珊

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如果有一天，我们真的在月球上安了家，喝的水、呼吸的氧气，甚至火箭燃料，全都来自脚下的土和石——月壤。这听起来像科幻小说，但最近，中国科学家又朝这个目标迈出了一步。

7月16日，细胞出版社（Cell Press）旗下期刊《焦耳》（《Joule》）发表了题为《Inherent lunar water enabled photothermal CO₂ catalysis》（《月球固有的水使光热CO₂催化成为可能》）的论文。来自南京大学、香港中文大学（深圳）、中国空间技术研究院等的研究团队，首次实现了一种一体化的“地外光合作用”系统：在月壤中提取水，并与二氧化碳在阳光加热下转化为氧气和燃料。

这意味着，在极简的条件下，仅凭阳光、月壤和宇航员呼出的CO₂，就可能制造出支持人类生存的基本要素：水、氧气和能源。

在太空运输任何资源都代价高昂。据估算，每位宇航员每天需要约4加仑的水，而将一加仑水送入太空，成本高达8.3万美元。因此，在地球之外就地取材，也就是所谓的原位资源利用（ISRU），长期是太空探索的核心方向。

“我们从未真正预料到月壤的‘魔法’”，文章通讯作者、香港中文大学（深圳）的王璐教授在文章发表后这样向媒体说。

让月壤拥有“魔法”的，是其中天然存在的一种神奇矿物——钛铁矿（FeTiO₃）。它结构疏松、像海绵一样能吸附太阳风中的氢原子，是月壤中重要的“储水库”；同时，它还具有光热催化性能，能在阳光加热下推动CO₂和水的反应。

换句话说，产生水和氧气这两件事，月壤不仅提供了原料，还自带催化剂。将两个过程整合到一起，正好顺理成章，构成了一个出人意料的简洁方案。

事实上，早在2021年以来，南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学等单位就组成联合研究团队，对嫦娥五号带回的月壤样本开展研究。这也正是本次论文的主要作者团队。

2022年，他们首次发现，月壤能作为催化剂，推动水和二氧化碳的光热反应，催化性能甚至超过地球玄武岩一个数量级。“嫦娥五号月壤主要来自玄武岩，富含铁、钛等元素，而这些正是人工光合成中常用的催化剂成分。”南京大学教授姚颖方曾这样对媒体介绍。

巧合的是，在月壤提水的探索中，钛铁矿再次成为关键角色。2024年，中国科学院物理所等团队研究发现，1吨月壤可以提取超过50公斤的水，钛铁矿在五种主要月球矿物中产水最多。然而，这一过程通常需将月壤加热至接近1000°C，能源成本不低。

而本次研究的最大亮点之一，正是在于显著降低了这一过程的能源门槛。研究团队利用光热反应器，在地球实验室中模拟月球日照条件，在不额外供能的情况下，验证了钛铁矿同时完成“提水 + CO₂转化”的可能性。

“对我们来说，最大的惊喜是这种集成方法取得了切实的成功。”王璐说，“月球水提取和光热二氧化碳催化的一步集成可以提高能源利用效率，并降低基础设施建设的成本和复杂性。”

靠太阳提供热源、靠月壤催化反应，月球极大的昼夜温差，反而给这个“人工光合作用”提供了意外契合的帮助。月球地表白天温度超过100°C，太阳为光热反应提供条件；而夜间温度降至-170°C，又正好有利于收集二氧化碳冷凝成干冰，为第二天的反应提供原料。

“或许我们以后能够在月球建设一座小型化工厂。”2022年，姚颖方在接受新华社采访时畅想。“如果我们能在月球上就地取材，把月球资源和宇航员的代谢废物转化为水和燃料，就能显著降低载人航天的成本。”这项2025年的进一步研究，正是对当年设想的有力推进。

可行性究竟几何？

当然，现在就庆祝也许为时尚早，目前这项技术距离实际部署仍有距离。王璐也坦言，目前的催化性能“仍然不足以完全支持人类在地球以外环境中的生命”。研究团队在论文中指出，未来必须克服催化效率、气体收集、反应速率、月壤异质性等一系列技术挑战，同时还需应对构建与维护系统的高成本与复杂性。

香港大学地球与行星科学系研究助理教授钱煜奇评价说，这项研究为未来在月球利用原位资源提供了“可行而前瞻的路径”，“对我国深空探测，尤其是国际月球科研站的建设具有启示意义”。

但钱煜奇同样指出，真正落地仍会面临诸多问题，“有相当多的困难需要克服”。所有这些问题中，最为关键的也许是：“月壤性质差异明显，不同月壤性质是否会对这一反应路径产生影响（例如钛铁矿含量）？月壤成分差异是否会影响催化反应？产率是否足够？气体如何高效分离？是否具备经济可行性？”

尽管如此，这项研究仍代表着人类迈向月球自给生态系统的重要一步。这意味着月球可能不依赖地球运输、自行生产水、氧气和燃料，成为第一站地外补给，也为更远的火星基地、深空探索提供模板。

也许在不远的将来，人类移居月球将不再是“能不能”的问题，而是靠什么系统实现自给自足。通过人工“土壤光合作用”替代地球植物，让阳光与尘土转化为维持生命的氧气、水和能源，这项听起来遥远的技术，或许正在慢慢成为现实。

无论如何，利用以月壤为代表的原位资源构建可持续系统，或许正是未来月球基地建设的必由之路，钱煜奇说。

参考资料：

1.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00187-4

2.https://www.eurekalert.org/news-releases/1090785

3.https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0

4.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00178-7

5.http://www.xinhuanet.com/2022-05/12/c_1128644908.htm

本文转载自《知识分子》微信公众号

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