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嫦五新發現 月壤可製氧氣燃料

人類月球基地構想圖。

(大公報 記者 劉凝哲)嫦娥五號帶回的月球「土特產」,不斷產生新的科學成果。南京大學、香港中文大學(深圳)、中國科學技術大學的研究團隊刊發於國際學術期刊《焦耳》的文章稱,團隊在詳細分析嫦五月球樣本的元素和礦物結構後,發現月壤含有一些活性化合物,它們可以作為催化劑,借助太陽光,以地外人工光合成技術將人類呼出的廢氣、月球表面開採的水資源轉化為氧氣和燃料,希望為實現「零能耗」的月球生命保障系統奠定物質基礎,從而支持月球基地建設以至載人星際旅行。

2021年7月,國家航天局向13家單位發放了共計31份月壤樣品,其中包括南京大學獲得的1克月壤。據報道,中國科學院院士、物理學院鄒志剛教授表示,月壤第一站落戶南京大學環境材料與再生能源研究中心,是因為南京大學有一支做地外人工光合成的團隊,在國際上首創面向地外原位資源利用的人工光合成技術,並已獲得國家變革性技術重點研發計劃的資助。此次發表的成果,是科研團隊利用其中的0.2克所進行的研究。

8種晶體礦物 催化性能優異

內地科技日報報道,地外人工光合成技術,是指模擬地球上綠色植物的自然光合作用,利用太陽光,將人類呼出的二氧化碳和月球上原位開採的水資源,轉化成氧氣和碳氫化合物的技術。不過,在這個過程中,如果有催化劑,轉化效率更高。嫦娥五號月壤來自月球表面非常年輕的玄武岩,這種礦物中富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分。團隊採用機器學習等方法,對月壤結構進行多次分析,發現這些月壤中約有24種晶體礦物,其中鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石,以及多種鐵基化合物等8種晶體礦物,可以在人工光合成中發揮較好的催化性能。

研究團隊將月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化二氧化碳還原、光熱催化二氧化碳加氫等反應的催化材料,發現其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。論文的共同第一作者、南京大學教授姚穎方表示,在試驗中,科研人員施加了模擬太陽光,用水、二氧化碳做原料,將月壤與模擬的美國阿波羅計劃取回的月壤和地球表面的玄武岩進行對比,發現三者在光伏電解水反應中,嫦娥五號月壤產生氧氣和氫氣的效率最高。而在光熱催化二氧化碳加氫反應中,嫦娥五號月壤產生的甲烷、甲醇的效率也比其他材料要高。氧氣可為人類提供生命支持,甲烷是火箭推進劑的有效成分,而甲醇是有機化學品原料。

建零能耗系統 邁向自給自足

此外,研究還指出,月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結構,月壤的表面積越大,能接觸的氣體就越多,催化性能越好,這種微納結構進一步提高了月壤的催化性能。

基於這個發現,團隊提出利用月壤進行地外人工光合成的策略,希望為實現「零能耗」的月球生命保障系統奠定物質基礎,從而支持月球探測、研究和旅行。

中科院等科研團隊通過對嫦五月壤分析,獲得了太空風化作用信息。(網絡圖片)

揭秘太空風化 透視月球地質

近日,中科院地質地球所等科研團隊通過對單個嫦娥五號月壤顆粒的探測分析,獲得了月壤顆粒表面關鍵物質的太空風化作用信息。這一成果今年4月在國際學術期刊《地球物理研究快報》上發表。

嫦五中緯度採樣 另闢蹊徑

數十億年來,月球表面遭受了強烈的太空風化作用,包括微隕石撞擊、太陽風及銀河宇宙射線的輻射。這些過程極大改造了月球表面物質的微觀形貌、晶體結構和化學成分,進而改變了月球的光譜特徵,造成地質分析的多解性。因此,深入研究撞擊和太陽風輻射與物質的相互作用過程與機理,是認識月球表面物質演化和空間環境變化過程的關鍵,並為行星的宜居環境及其演化的相關研究提供了不可替代的作用。

然而,由於月壤顆粒的尺寸微小且微觀結構複雜,難以區分微隕石撞擊和太陽風輻照的特徵差異,造成對太空風化作用機制的認識不足。另外,隕石的撞擊可能是隨機事件,但太陽風的照射與緯度有關。美國阿波羅計劃、前蘇聯月球號採集的樣本均處於月球的低緯度範圍。嫦娥五號採樣點位於中緯度(43.06°N),為月球不同緯度的空間風化研究提供了獨特視角。

中科院地質地球所聯合北京高壓科學中心、國家空間科學中心的科研團隊,利用系列分析方法,獲得了單個嫦娥五號月壤顆粒表面的硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物的太空風化作用信息。最新研究表明,嫦娥五號月壤的太空風化作用主要是受到微隕石撞擊、太陽風及宇宙射線輻照等因素的共同作用,但不同礦物的表層結構受太空風化作用的影響不同。專家介紹,嫦娥五號採樣點位於中緯度,雖然月壤顆粒與阿波羅樣品相比在顯微結構方面沒有顯著差異,但是這一最新成果為月球中緯度的太空風化作用提供了更多的認識。

在第十三屆中國航展,觀眾通過顯微設備觀察嫦五取回的月球樣品。(新華社)

驗證新技術 中國空間站成首選

基於前述研究,南京大學、香港中文大學(深圳)、中國科學技術大學的研究團隊提出在月球表面潛在的利用月壤實現地外生存的方案。但是,地外人工光合成技術究竟能否在真實的月球環境中實現,還需進一步驗證。

新系統或隨中國探月飛船出征

南京大學等研究團隊針對月球環境,提出利用月壤實現地外人工光合成的策略與步驟。利用月球夜間約-173℃的極低溫度,將二氧化碳從人類呼吸的空氣中凝結分離。然後利用太陽光,將嫦娥五號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,把人類呼出的廢氣、月球表面開採的水資源等轉化為氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。

南京大學教授姚穎方表示,利用地外人工光合成技術,也許只需要月球上的太陽能、水和月壤,便能產生氧氣和碳氫化合物,該技術還可以借助於月球表面的溫度環境,實現低能耗和高效能量轉換。這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。雖然月球土壤的催化效率低於地球上可用的催化劑,但研究團隊還將對月壤中的有效催化成分進行分離、提煉,希望能得到更好的催化效果。

研究團隊表示,正在爭取明年將地外人工光合成系統搭載到中國空間站,或力爭將該系統搭載到中國探月計劃的飛船中。月壤或月壤提取成分如果能作為月球上的人工光合成催化劑,可以大大降低航天器的載荷和成本,也許將來在月球上就可以就地取材,為航天員提供生命支持,並製備燃料。

4月26日,神十三飛船返回艙在京開艙,工作人員開艙取出包括作物種子在內的搭載物品。(網絡圖片)

中國太空育種添1.2萬「新血」

據中央紀委國家監委網站消息:近日,神舟十三號載人飛船返回艙在北京開艙,雲南省政府、寧夏回族自治區政府、陝西榆林市政府、中國農業大學等單位搭載的作物種子順利出艙。據悉,這次跟着3名航天員一起搭乘神舟十三號返回地球的有約12000顆種子。

「就藥用植物來說,這次神舟十三號帶回了雲木香、鐵皮石斛、天麻、薏苡仁等10種雲南特色中藥材種子,重量是61.8克。」雲南省農業科學院藥用植物研究所所長李榮福告訴記者,雲南此次選送的太空搭載樣品主要是「十大雲藥」和雲南特色中藥材,下一步將對搭載返回的種子進行生活力測定,選留部分種子保存在低溫庫中進行長期貯藏,其餘種子按照相關技術規範進行育苗和大田栽培。

太空育種,也稱航天育種、航天誘變育種,是利用太空的特殊環境誘使植物種子發生基因變異,進而選育植物新品種、創造農業育種材料、豐富基因資源,是一種將輻射、宇航、育種和遺傳等學科綜合起來的高新技術。簡單來說,讓種子先「上天」再「入地」,經過篩選、雜交、鑒定等,最終形成新種質資源的過程就是太空育種。

與傳統育種技術相比,太空育種最大優勢在於空間誘變材料的變異率高、育種周期短,可在相對較短時間內創製出高產、早熟、抗病等性狀優良的種質資源。

(來源:大公報A23:要聞 2022/05/09)

編輯: Nora

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