利用月壤自如地呼吸

杨先碧

设想中的月球造氧厂

如果人类要生存下去，那么基本的需求是空气、水和食物。其中，空气是排在第一位的，因为人类缺氧几分钟就会死亡。因此，人类移民外星的第一要务是解决氧气短缺的问题。科学家认为，人们可以利用外星土壤来制造氧气。近年来，美国和欧洲的研究人员在这方面的研究有所突破，他们已经发明出独特的造氧机，可以利用类似月壤的火山灰制造氧气。

月壤中含有氧

月壤就是月球上的土壤，包括月表颗粒很细的月尘，以及月尘下颗粒稍粗的沙土。有的研究中，月壤还包括月球上那些块头较大的沙石或岩石。利用像沙子一样的月壤来制取氧气，听起来有点不可思议，但是，从理论上讲是完全可行的。月壤主要由硅氧化物和其他矿石构成，因此可将其中的氧原子释放出来，制成氧气。

自从50多年前“阿波罗”飞船带回月壤样本以来，科学家就对月壤进行了广泛的研究。之前，科学家主要研究月壤对飞船及宇航服的影响，还有月壤对未来月球基地的潜在影响。近年来，科学家对月壤的化学成分更感兴趣。研究表明，月壤中氧元素的含量很高，其质量百分比为40%～45%。问题是，这些氧被锁定在化合物中，并不能直接可以供人呼吸。因此，科学家要做的事情就是分解这些化合物，将氧气释放出来。

欧洲科学家和他们的造氧机

分解出氧气后的火山灰残渣的显微结构

这种设想并非空穴来风。在月球上，很可能已经发生了天然的月壤分解并释放氧气的化学反应。科学家利用天文望远镜观察了“阿波罗”飞船曾经降落的地方，通过使用专门的过滤器，发现这些地方的月壤放射出很微弱的紫外线。以往的研究表明，外星天体上紫外线放射区域通常含有氧气。不过，包括月球在内的外星天体即使能产生氧气，也是在局部区域，而且氧气含量极低，难以为宇航员供氧。

月壤造氧竞赛

人类的外星梦想之一是像神话传说中的嫦娥那样在月宫中居住。要实现这样的梦想，就需要建造大规模的月球基地。实现及维持月球基地的困难很多，因为科学考察站所需的物资全部要从地球上运输过去。饮水和食物还可以计划着来，但是氧气的消耗弹性比较大，万一短缺就会致命，因此氧气供应必须在月球上就地解决。

如果能在月球上解决氧气的供应，那么，也许能促进未来实现载人火星之旅或其他外星探测，因为月球将是人类进行外星探测的重要中转站。为此，各国科学家都在研究利用月壤造氧的技术。美国曾经专门为月球的造氧问题设置了一个奖项“月壤造氧竞赛”，奖金高达25万美元，鼓励科学家独辟蹊径，找到制取氧气的新途径。这项竞赛是由美国宇航局和佛罗里达太空研究所联合发起的，激励化学工程师们大胆创新技术，以便于未来人类开辟太空新领地。

 类似月壤的火山灰的显微结构

類似月壤的火山灰（左）和分解出氧气后的残渣（右）

不过，美国这项竞赛的原料并非月壤，而是和月壤成分差不多的火山灰。结果，美国宇航局的科学家成功制造出一种造氧机，他们对100克类似月壤的火山灰进行了测试，结果获得了20克氧气。未来，美国宇航局希望将这种造氧机送上月球，一旦该机器在月球上通过测试，那么将为建立永久月球基地扫清最大的障碍。

美国科学家获得成功之后，欧洲空间局的科学家也开发出造氧机。而且，欧洲科学家没有像美国科学家那样对相关技术秘而不宣，而是公布了造氧的具体方法。欧洲科学家将这个新发明命名为“月球造氧机”，其核心部件是一个类似透镜的结构，可以聚焦阳光，将火山灰的温度加热到2500℃。在最近的测试中，“月球造氧机”将阳光聚焦到了100克火山灰上，结果几小时后，就成功获得了20克氧气。由于月球在白天也可能出现局部高温，因此科学家认为之前天文望远镜观测到的月球上的微量氧气可能也是热分解的结果。

未来的月球基地

除了这一聚焦阳光“榨取”氧气的方法外，欧洲科学家还设计了一些其他“月球造氧方法”。他们使用电解熔融盐的方法，开发出“熔融造氧设备”——将月壤添加到熔融的氯化钙盐（其温度为950℃）中，然后给熔融的混合物通电，氧气就“咕嘟嘟”地从熔融物中冒了出来。在这个设备中，氯化钙熔融盐的作用类似于电解质，主要是能让加入月壤的熔融混合物通电，这样原本不能导电的月壤也能被电流分解了。

那么，无论美国科学家还是欧洲科学家，为何都是用火山灰，而不是用月壤来做实验？那是因为月壤实在太珍贵了。2020年12月17日凌晨，“嫦娥五号”返回器携带近2千克月壤，成功返回地球，胜利完成了我国的首次地外天体采样返回任务。如此珍贵的月壤样品，自然不可能让科学家做实验了。

在月球修建造氧工厂

如果造氧技术可行，那么人们就可以在月球上广泛修建造氧工厂。这个工厂的人类工人将会很少，主要是机器人在忙碌。数以万计的机器人首先要做的事情是挖土。从月球上挖土将会比在地球上轻松，因为月球的重力比地球小得多。机器人将挖掘出来的月壤送进一个巨大的造氧机内。这个机器“吃进去”的是月壤，“吐出”的是氧气，以及建造月球基地可用的矿物质。

美国宇航局的工程师艾里克·卡迪夫介绍道：“造氧技术的优点是我们可以靠月壤而生活，而不需要浪费地球上的有限资源。通过造氧机，我们可以呼吸到纯净的氧气。尽管我们产出的氧气中还混有一些其他气体，比如氦气，但它们非常少，不会构成任何危险。”

参与欧洲空间局“造氧机”研究的科学家贝丝·洛马克斯表示：“月球造氧厂是定居月球的基本保障。无论是从为宇航员供氧的角度来考虑，还是从生产火箭燃料方面来考虑，能够从月球上发现的资源中获取氧气，对未来的月球定居者而言都将大有裨益。”