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  • 建造月球基地,先要制备氧气,我国科学家如何实现月壤制氧?

    发布者:办公室来源:科普中国网 发布日期:2021-11-16 阅读次数: 字号:[] [] []

      就在2021年,我国宣布将联合俄罗斯开发月球基地,而所选的时间节点就在距今不远的2030年。

      说起来,距离预定开发月球基地的时间节点已经不足十年,我们这一代是否真的有幸看到人类旅居月球呢?就如我们所知的那样,月球本身并不是一颗宜居星球,而且以人类的视角来看,它的生存环境甚至可以说是极端恶劣,所以想要直接在月球表面生活是基本无望的,要想在月球上长期居住就必须要建立月球基地,而在月球基地之中有一种资源是必不可少的,那就是氧气。人每时每刻都需要呼吸,而月球本身是没有氧气的,那怎么办呢?也许有人会说:“这有何难?只要参考空间站中的氧气供给系统就可以了”。事实上并没有这么简单。

      包括国际空间站在内的诸多载人航天器都采用着相似的制氧系统,也就是我们所熟悉的电解水制氧。

      电解水制氧虽然简单,但却无法应用于月球基地的建造,因为月球上没有水。各种载人航天器,包括空间站,都只需要为几名宇航员提供生命所需的氧气,因此自然可以携带少量的水用以制氧。而我们建造月球基地,绝不是为了让几个人待在月球,真正的月球基地所能够容纳的人员是非常多的,而要为这么多人提供氧气,所需要的水量也太过庞大了。目前人类所使用的化学动力火箭的有效载重是非常有限的,不可能将大量的水千里迢迢运往月球,如果真要运水,还不如直接向月球运送氧气更为合适。

    所以月球基地内的氧气必须要自给自足,也就是利用月球现有的条件来制备氧气,有什么办法吗?有的。

      2021年在深圳举办的深空探索科学技术与应用大会上,来自航天五院508所的果琳丽研究员详细地向我们介绍了我国的一项最新成果,使用月壤来制备氧气。月球上虽然没有以气体形式存在的氧气,但含氧物质却很多,它们就存在于月球的土壤之中。根据已取得的月壤数据,我们知道月壤之中存在着大量的二氧化硅、氧化亚铁、三氧化二铝、氧化钙、氧化锰以及二氧化钛等等,这些都是含氧物质。

    如何才能把月壤中含氧物质里的氧提取出来了?我国科学家所采用的是“熔融电解法”。

      熔融电解法简单来讲就是先加热、再电解。熔融电解法所使用的主要原料就是月壤之中的钛铁矿以及氧化亚铁,当这些物质被加热到1600摄氏度到2500摄氏度时,将其通电,此时,月壤中各种元素就会被电离出来,这其中就有氧离子。被电离出的氧离子会自行相互结合,于是氧气就形成了。这个方法听起来并不复杂,但却是行之有效,根据目前的计算,每100公斤月壤就可以制备出20公斤以上的氧气,这个制氧效率可以说是非常高了。

    月壤制氧只是理论吗?当然不。

      其实利用月球土壤来制备氧气并非我们的专利,早在2005年的时候,美国就举办过一次所谓的“月球制氧竞赛”,不过当时所使用的并不是真正的月球土壤,比赛当然也不是在月球上进行的,当时所使用的是成分类似的火山灰来替代月球土壤。不过这一次我们所进行的实验有所不同,航天五院511所的科研人员通过嫦娥探测器平台,在月球表面使用小型反应炉真正进行了月面制氧实验。当然,熔融电解法并不是月球制氧的唯一方法,除了熔融电解法之外,另一种可行的方法就是我们比较熟悉的还原法了,在最初接触化学的时候,我们便知道了,氢气是一种具有还原性的气体。

    因为氢气具有还原性,所以就可以利用氢气将金属元素从矿物中置换出来,并生成水,而电解水制氧是最为简单的,而且通过这一方法不仅能够制备氧,还能够产生水。

      那么,相比还原法而言,熔融电解法的优势何在呢?有了氧气,人类就拥有了建造月球基地的基本条件,但光有基本条件还不行,要打造月球基地,所需的资源种类和数量都是颇为庞大的,还是那个问题,火箭运载能力有限,数量庞大的资源不可能从地球运来,所以就得就地取材,通过熔融电解法制备氧气,除了能够产生氧之外,在电解过程中还会产生铁、硅等副产品,而这些资源都可以应用于月球基地的建造。