在科幻小說家的筆下，未來人類可以“移民”月球生活。這一天會到來嗎?2020年12月17日，我國嫦娥五號月球探測器攜帶1731克月球“土特產(chǎn)”成功返回地球，為人類進一步探究“月球的秘密”奠定了基礎。近日，香港中文大學(深圳)理工學院的鄒志剛院士、朱熹教授、王璐教授、涂文廣教授和南京大學姚穎方教授、周勇教授，中國科技大學熊宇杰教授合作采用機器學習等方法，對月壤材料結構進行了多次分析，明確月壤含有。它們可以作為催化劑，借助太陽光，將水和二氧化碳轉化為氧氣、氫氣和甲烷、甲醇。該研究成果在《焦耳》上發(fā)表。
地外人工光合成指的是在外太空，通過原位太陽能或其他能量的利用，實現(xiàn)人工光合成的過程。該技術主要利用人類呼吸的二氧化碳和月球上原位開采的水資源產(chǎn)生氧氣和碳氫化合物，有望成為月球的資源原位利用技術之一。這種技術能夠在寬溫度范圍下運行，實現(xiàn)低能耗和高效能量轉換，實現(xiàn)這一目標可以極大地提高人類在太空生存的可行性和持久性。而作為月球上最豐富的資源之一，月壤是月球原位資源利用的重要組成部分。與地球上的催化劑相比，月壤或月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，無疑可以大大降低航天器的載荷和成本。
鄒志剛教授團隊及其合作伙伴采用機器學習等方法，對月壤材料結構進行了多次分析，明確嫦娥五號月壤中主要的晶體成分大約有24種，其中作為人工光合成的催化劑有鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石以及多種鐵基化合物等8種。同時，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結構，這種微納結構進一步提高了月壤的催化性能，研究團隊進而采用月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化二氧化碳還原，以及光熱催化二氧化碳加氫等反應的催化材料，評估其性能。研究表明，月壤在光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫反應中具有較高的性能和選擇性。基于以上分析，研究團隊針對月球環(huán)境，提出利用月壤實現(xiàn)地外人工光合成的可行策略與步驟，即利用月球夜間的極低溫度(-173℃)，通過凝結將二氧化碳從人類呼吸空氣中直接分離，然后將月壤作為水分解的電催化劑和二氧化碳加氫的光熱催化劑，將呼吸廢氣、月球表面開采的水資源等轉化為氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。其中，甲醇是人類有機合成中的主要原料，而甲烷是太空飛行器在地外極其需要的燃料成分。
盡管月壤的催化效率低于地球上可用的催化劑，但采用原位的地外人工光合成技術，可以大幅度減少人類進入外太空的載荷，節(jié)約了大量成本。這項工作只需要月球上的太陽能、水和月壤，為建立適應月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)提供了潛在方案?；谠撓到y(tǒng)，人類或可實現(xiàn)“零能耗”的地外生命保障系統(tǒng)，真正支持月球探測、研究和旅行。(首席記者 吳 吉 通訊員 馬明霞)
