近日，我國科學家通過分析嫦娥五號取回的月壤，提出了一套利用月壤進行地外人工光合成的策略，有助于未來月球探測、居住和旅行。

在月球上長期生存，是載人深空探測之旅的首個里程碑。最大限度地利用月球上的資源與能源，可以幫助人類在月球建立一個兼具生命支撐和支持航天器發射的中繼站。

與現有的地外生存技術相比，地外人工光合成技術有望利用月球的資源與環境生產氧氣、燃料和生存用品。該技術能在寬溫度范圍下運行，實現低能耗和高效能量轉換。

此外，地外人工光合成技術主要利用人類呼吸的二氧化碳(CO2)和月球上原位開采的水資源，共同產生氧氣和碳氫化合物。實現這一目標可以極大提高人類在月球生存的可行性和持久性，同時具有很高的經濟效益。

嫦娥五號示意圖，圖片來自中國探月工程

作為月球上最豐富的資源之一，采用月壤作為地外人工光合成催化材料，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，可以極大降低航天器的載荷和成本。嫦娥五號從月球取回的月壤樣品（下稱“嫦娥五號月壤”）為實現地外人工光合成提供了一個很好的機會。

此次，南京大學鄒志剛院士、姚穎方教授團隊與香港中文大學（深圳）、中國科學技術大學合作，詳細分析了嫦娥五號月壤的元素組成和礦物結構，從光伏電解、光催化和光熱催化三個方面，對嫦娥五號月壤的人工光合成性能進行評估，并基于月壤人工光合成性能提出了可行的地外人工光合成策略，為實現“零能耗”的月球生命保障系統奠定了物質基礎。相關成果發表在《焦耳》(Joule)期刊。

圖片來自《焦耳》(Joule)

嫦娥五號月壤是月球表面非常年輕的玄武巖，富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分。“嫦娥五號月壤具有相對明確的礦物成分，這些成分一定程度上具有光催化、光電催化或光熱催化的性能。”南京大學教授姚穎方說道，“同時我們發現，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。”

前述團隊采用機器學習等方法，對月壤材料結構進行多次分析，明確嫦娥五號月壤中主要晶體成分約為24種。其中，作為人工光合成的良催化劑包括：鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石，以及多種鐵基化合物等8種。“我們目前正在基于這8種材料，進行進一步的篩選分析，并將探索適用于月球的原位分離和提煉的方法，實現月球表面高效地外人工光合成材料的制備和應用。”

團隊通過先進表征手段，確認月壤表面結構、成分，說明月壤含有約24種不同晶體礦物、約13種元素成分，圖片來自南京大學

團隊進一步采用月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化CO2還原、以及光熱催化CO2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CO2加氫反應中具有較高的性能和選擇性。

針對月球環境，團隊提出了利用月壤實現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°C)，通過凝結將二氧化碳從人類呼吸空氣中直接分離。然后，嫦娥五號月壤作為水分解的電催化劑和CO2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，氧氣可為人類提供生命支持，甲烷為火箭推進劑的有效成分，甲醇則是有機化學品原料。

團隊通過測試分析，提出在月球表面潛在利用月壤實現地外生存的方案，圖片來自南京大學

“在月球表面，月壤是取之不盡用之不竭的資源。”姚穎方說，“我們的研究表明，通過開采月球表面的水資源和月壤，通過一定的提煉技術，就可以實現月球表面有人基地的建設，維持月面人類長期生存。”

前述研究為建立適應月球極端環境的原位資源利用系統提供了潛在方案，并且只需月球上的太陽能、水和月壤。基于該系統，人類或可實現“零能耗”的地外生命保障系統，真正支持月球探測、研究和旅行。

而月壤的采集，除了尋求原位開發與利用，還有兩個更為重要的研究方向。“首先是月球的起因和演化等。通過研究月壤，可以更精準地確定地球、月球等行星表面的年代，讓我們進一步了解地球、月球、火星的起源。”姚穎方認為，月壤內還可能存在大量的氦-3（氦氣同位素氣體），一種未來有可能進行熱核聚變發電的清潔能源。此前有研究表明，月壤中含有100萬到500萬噸氦-3。

嫦娥五號月壤示意圖，圖片來自中國探月工程

論文共同第一作者為南京大學教授姚穎方、香港中文大學（深圳）助理教授王璐、朱熹、科研助理教授涂文廣，共同通訊作者為中國科技大學教授熊宇杰、南京大學鄒志剛院士和教授周勇。

嫦娥五號月壤樣品由中國國家航天局提供，前述工作獲得科技部“變革性技術關鍵科學問題”重點研發計劃、科工局民用航天技術重點項目、國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目等項目資助，以及固體微結構物理國家重點實驗室、江蘇省納米技術重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支持。