月壤里的氧气够全球人用10万年，提取原理你高中就学过

　　左图为反应前的月壤模拟物，右图为反应后残留下的合金（图片来源：Beth Lomax, University of Glasgow）
　　我们都知道，月球没有大气层，但这并不代表月球上没有氧。例如，月壤中就含有45%左右的氧。而英国格拉斯哥大学的一位研究者，基于我们高中就学到的知识——电解法，开发出了从月壤中高效制备氧气的方法。
　　在讨论向宇宙进发时，月球总是人类移民梦想的目的地之一。但想在月球生存下来并不容易， 在担心月壤不能种菜之前，月球基地需要解决一个关键问题——氧气。
　　我们都知道，月球没有大气层，想要在月球上生活、工作必须＂自带氧气＂。对载人飞船或是空间站这些载人航天器来说，只需要满足几名宇航员的生活需求就可以了，氧气需求相对比较容易解决：这些航天器的制氧系统都是类似的，根本原理就是我们熟悉的电解水。
　　然而如果想要建设月球基地，让更多的人生活在月球上，甚至把月球建设成＂太空驿站＂为更进一步的宇宙探索提供补给的话，电解水看起来就不太＂划算＂了。 尤其是考虑到目前人类使用的化学动力火箭载荷有限，要千里迢迢地往月球运水，不仅困难，而且成本极高。 想要解决这个问题，还是得从月球自身的资源下手。  氧气来源
　　要解决这个问题，一种思路是直接在月球上找水： 如果能在月球上直接获得大量水资源，就可以用成熟的电解水技术，＂轻松＂提供足够的氧气。 基于已有的观测，目前已经能确认月球两极地区存在水冰。尤其是月球南极-艾肯盆地附近地区，探测器已经证实这里有大量水冰。
　　这样看来，电解水似乎依然是个好主意。然而问题在于，水冰并没有想象中那么容易开采。一方面，我们对月球上水冰的数量、分布和存在状态还并不完全了解；另一方面，根据估计，水冰存在的区域温度极低，可以达到-150 ，甚至低于-200 ， 无论是想要从这些低温地区稳定地开采水冰，还是要把开采的水冰稳定运输到月球基地，都颇具挑战。
　　在月球高纬度地区，这些地方的温度永远不会高于-163 ，为水冰的存在提供了条件（图片来源：NASA）
　　相比之下，另一种思路是利用月球上更为丰富易得的资源——月壤。和地球类似，月球最外层也有一圈岩石圈。地球上的岩石经过风吹雨淋和生物作用，会风化形成土壤。而对月球来说，由于缺少大气层保护，表面的岩石会直接暴露在太阳辐射的＂风＂和陨石＂雨＂的轰击之下，遭受 ＂太空风化＂ 。虽然缺少生物和化学作用，但月球的岩石圈也会在太空风化和物理风化作用下破碎成极细的颗粒，广泛分布在月球表面，厚度可达几米到十几米，这就是月壤。
　　月壤中的主要成分包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化镁等各种氧化物和含氧化合物。对月壤样品的分析结果显示， 氧元素的质量占总质量的41%~45%，是月壤中含量最高的元素 ——可以说根本不用愁原料来源了。但问题在于，我们不能直接＂吸石头＂，还是要想办法把矿物中紧密结合的氧元素提取出来，制备成可供呼吸的氧气。
　　嫦娥四号着陆区域的地下浅层结构，地下0~12米主要由细粒月壤组成。（图片来源：Li et al., 2020）月壤制氧
　　从氧化物或含氧化合物中提取氧气的思路有很多，各国研究者也曾做过许多尝试。例如，一些研究尝试用氢气还原月壤中的氧化铁，获得液态水，再通过电解水制备氧气。 但这种方法的产量（指提取的氧气重量/作为原料的月壤重量，下同）只能达到1%~3% ，同时还只能应用在铁含量比较高的月壤原料上。另一种尝试是直接电解熔融的月壤，这种方法并不太受月壤成分的影响，理论上的产量也可以达到20%~30%， 但需要1600 的高温使月壤达到熔融状态。
　　有没有产量更高，温度更低的方法呢？格拉斯哥大学的研究人员贝萨妮·洛马克斯（Bethany Lomax）使用了＂熔盐电解＂（molten salt electrolysis）法，成功实现了这个目标，并且在地球上进行了实验。
　　研究者将月壤放入一个金属的篮子中，并将熔融的CaCl₂作为电解质。将CaCl₂加热到熔融只需要950 ， 在这个温度下，月壤依然保持固态，然而电流可以让其中的氧穿过电解质迁移到阳极，变成氧气释放出来。
　　当然，研究者并没有使用宝贵的月壤来进行试验。他们参考了以往对月壤成分的分析结果，选择使用旧金山火山群的火山凝灰岩来作为月壤的替代品。根据测量， 50小时后，样品中96%的氧被提取出来制备成了氧气 。 同时，75%的氧在前15小时就能被提取出来。
　　显微镜下，月壤模拟物实验前（上）和实验后（下）的变化。（图片来源：ESA）
　　事实上，这种熔盐电解的方法已经被英国公司Metalysis充分开发，并且应用于商业金属和合金生产中了。＂对Metalysis的生产线来说，这个过程产生的氧气是不需要的副产品，因此会使用石墨阳极除去氧气＂，洛马克斯在攻读博士学位期间曾在该公司工作研究这一过程，随后，他意识到这个技术可以应用到月壤，＂ 但氧气反而是我们在月球最需要的东西，所以我们重新设计了一个（以制氧为目的的）版本。 ＂
　　Metalysis公司金属生产工艺的基本概念图，电解质为熔融的CaCl2,作为阴极的金属氧化物被还原为相应的金属，同时在石墨阳极产生CO和CO₂。
　　但反应剩下的部分也并不是废料，＂生产过程留下了一堆不同的金属＂，欧洲航天局的研究人员亚历山大·默里斯（Alexandre Meurisse）补充道，＂ 这会是另一个很有用的研究方向，我们可以尝试将它们直接用于3D打印，作为月球基地的建筑材料。 ＂
　　目前，研究者试图通过调整电流和反应试剂来增加氧气产量和降低所需温度。同时，他们还在尝试缩小设备的体积，以便于将其运到月球。
　　欧洲航天局的研究者正在操作仪器（图片来源：ESA）氧气够用吗？
　　那么月壤能为我们提供多少氧气呢？澳大利亚南十字星大学的土壤科学讲师约翰·格兰特（John Grant，并未参与这项研究）进行了一些简单的计算：
　　＂只考虑月壤的话，每立方米平均重1.4吨矿物质，包括约630千克氧气。而根据估计，人类每天需要呼吸约800克氧气才能生存。所以630千克的氧气可以让一个人存活大约2年。
　　＂现在让我们假设月壤的平均深度约为10米，我们可以从中提取所有氧气。 这意味着月球表面的10米将提供足够的氧气来支持地球上所有80亿人大约 100 000年的时间。
　　＂这也取决于我们究竟能多有效地提取和使用氧气。不管怎样，这个数字还是相当惊人的！＂
　　话虽如此，但在地球上，人类甚至不需要努力就能获得充足的氧气来维持生存——我们还是应该尽一切努力保护这颗蓝色星球。
　　撰文：二七
　　审校：王昱
　　参考链接：
　　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