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左圖為反應前的月壤模擬物,右圖為反應後殘留下的合金(圖片來源:Beth Lomax, University of Glasgow)

我們都知道,月球沒有大氣層,但這並不代表月球上沒有氧。例如,月壤中就含有45%左右的氧。而英國格拉斯哥大學的一位研究者,基於我們高中就學到的知識——電解法,開發出了從月壤中高效製備氧氣的方法。

撰文 | 二七

審校 | 王昱

在討論向宇宙進發時,月球總是人類移民夢想的目的地之一。但想在月球生存下來並不容易,在擔心月壤不能種菜之前,月球基地需要解決一個關鍵問題——氧氣。

我們都知道,月球沒有大氣層,想要在月球上生活、工作必須“自帶氧氣”。對載人飛船或是空間站這些載人航天器來說,只需要滿足幾名宇航員的生活需求就可以了,氧氣需求相對比較容易解決:這些航天器的製氧系統都是類似的,根本原理就是我們熟悉的電解水。

然而如果想要建設月球基地,讓更多的人生活在月球上,甚至把月球建設成“太空驛站”為更進一步的宇宙探索提供補給的話,電解水看起來就不太“划算”了。尤其是考慮到目前人類使用的化學動力火箭載荷有限,要千里迢迢地往月球運水,不僅困難,還成本極高。想要解決這個問題,還是得從月球自身的資源下手。

氧氣來源

要解決這個問題,一種思路是直接在月球上找水:如果能在月球直接獲得大量水資源,就可以用成熟的電解水技術,“輕鬆”提供足夠的氧氣。基於已有的觀測,目前已經能確認月球兩極地區存在水冰。尤其是月球南極-艾肯盆地附近地區,探測器已經證實這裡有大量水冰。

這樣看來,電解水似乎依然是個好主意。然而問題在於,水冰並沒有想象中容易開採。一方面,我們對月球上水冰的數量、分佈和存在狀態還並不完全瞭解;另一方面,根據估計,水冰存在的區域溫度極低,可以達到-150℃,甚至低於-200℃,無論是想要從這些低溫地區穩定地開採水冰,還是要把開採的水冰穩定運輸到月球基地,都頗具挑戰。


在月球高緯度地區,高聳的環形山能造就陽光永遠照不到的區域,這些地方的溫度永遠不會高於-163℃,為水冰的存在提供了條件(圖片來源:NASA)

相比之下,另一種思路是利用月球上更為豐富易得的資源——月壤。和地球類似,月球最外層也有一圈岩石圈。地球上的岩石經過風吹雨淋和生物作用,會風化形成土壤。而對月球來說,由於缺少大氣層保護,表面的岩石會直接暴露在太陽輻射的“風”和隕石“雨”的轟擊之下,遭受“太空風化”。雖然缺少生物和化學作用,但月球的岩石圈也會在太空風化和物理風化作用下破碎成極細的顆粒,廣泛分佈在月球表面,厚度可達幾米到十幾米,這就是月壤。

月壤中的主要成分包括二氧化矽、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鎂等各種氧化物和含氧化合物。對月壤樣品的分析結果顯示,氧元素的質量佔總質量的41%~45%,是月壤中含量最高的元素——可以說根本不用愁原料來源了。但問題在於,我們不能直接“吸石頭”,還是要想辦法把礦物中緊密結合的氧元素提取出來,製備成可供呼吸的氧氣。


嫦娥四號著陸區域的地下淺層結構,傳回的物性引數和雷達影象顯示,地下0~12米主要由細粒月壤組成。(圖片來源:Li et al., 2020)

月壤製氧

從氧化物或含氧化合物中提取氧氣的思路有很多,各國研究者也曾做過許多嘗試。例如,一些研究嘗試用氫氣還原月壤中的氧化鐵,獲得液態水,再通過電解水製備氧氣。但這種方法的產量(指提取的氧氣重量/作為原料的月壤重量,下同)只能達到1%~3%,同時還只能應用在鐵含量比較高的月壤原料上。另一種嘗試是直接電解熔融的月壤,這種方法並不太受月壤成分的影響,理論上的產量也可以達到20%~30%,但需要1600℃的高溫使月壤達到熔融狀態。

有沒有產量更高,溫度更低的方法呢?格拉斯哥大學的研究人員貝薩妮·洛馬克斯(Bethany Lomax)使用了“熔鹽電解”(molten salt electrolysis)法,成功實現了這個目標,並且在地球上進行了實驗。

研究者將月壤放入一個金屬的籃子中,並將熔融的CaCl 作為電解質。將CaCl 加熱到熔融只需要950℃,在這個溫度下,月壤依然保持固態,然而電流可以讓其中的氧穿過電解質遷移到陽極,變成氧氣釋放出來。

當然,研究者並沒有使用寶貴的月壤來進行試驗。他們參考了以往對月壤成分的分析結果,選擇使用舊金山火山群的火山凝灰岩來作為月壤的替代品。根據測量,50小時後,樣品中96%的氧被提取出來製備成了氧氣。同時,75%的氧在前15小時就能被提取出來。



顯微鏡下,月壤模擬物實驗前(上)和實驗後(下)的變化。(圖片來源:ESA)

事實上,這種熔鹽電解的方法已經被英國公司Metalysis充分開發,並且應用於商業金屬和合金生產中了。“對Metalysis的生產線來說,這個過程產生的氧氣是不需要的副產品,因此會使用石墨陽極除去氧氣”,洛馬克斯在攻讀博士學位期間曾在該公司工作研究這一過程,隨後,他意識到這個技術可以應用到月壤,“但氧氣反而是我們在月球最需要的東西,所以我們重新設計了一個(以製氧為目的的)版本。”

Metalysis公司金屬生產工藝的基本概念圖,電解質為熔融的CaCl2,作為陰極的金屬氧化物被還原為相應的金屬,同時在石墨陽極產生CO和CO 。

但反應剩下的部分也並不是廢料,“生產過程留下了一堆不同的金屬”,歐洲航天局的研究人員亞歷山大·默里斯(Alexandre Meurisse)補充道,“這會是另一個很有用的研究方向,我們可以嘗試將它們直接用於3D列印,作為月球基地的建築材料。”

目前,研究者試圖通過調整電流和反應試劑來增加氧氣產量和降低所需溫度。同時,他們還在嘗試縮小裝置的體積,以便於將其運到月球。


歐洲航天局的研究者正在操作儀器(圖片來源:ESA)

氧氣夠用嗎?

那麼月壤能為我們提供多少氧氣呢?澳大利亞南十字星大學的土壤科學講師約翰·格蘭特(John Grant,並未參與這項研究)進行了一些簡單的計算:

“只考慮月壤的話,每立方米平均重1.4噸礦物質,包括約630千克氧氣。而根據估計,人類每天需要呼吸約800克氧氣才能生存。所以630千克的氧氣可以讓一個人存活大約2年。

“現在讓我們假設月壤的平均深度約為10米,我們可以從中提取所有氧氣。這意味著月球表面的10米將提供足夠的氧氣來支援地球上所有80億人大約 100 000年的時間。

“這也取決於我們究竟能多有效地提取和使用氧氣。不管怎樣,這個數字還是相當驚人的!”

話雖如此,但在地球上,人類甚至不需要努力就能獲得充足的氧氣來維持生存——我們還是應該盡一切努力保護這顆藍色星球。

參考連結:

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_opens_oxygen_plant_making_air_out_of_moondust

https://theconversation.com/the-moons-top-layer-alone-has-enough-oxygen-to-sustain-8-billion-people-for-100-000-years-170013

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063319301758

來源:環球科學

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原文連結:https://inewsdb.com/數碼/月壤裡的氧氣夠全球人用10萬年,提取原理你高

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