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中国学者发现嫦娥五号月球土壤可以催化氧气和燃料的产生

2022-05-14 09:44:38

嫦娥五号带回的月球“土特产”又有新发现。近日,南京大学邹志刚院士、姚英芳教授团队与多所高校、科研院所合作,对0.2克月球土壤样品进行研究,发现其中部分成分可用作催化剂。在阳光的作用下,水和二氧化碳转化为氧气和燃料。

基于这一发现,研究人员提出未来可利用月球自身资源建设月球基地,以支持深空探索、研究和旅行。

这项研究是南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学(深圳)和中国科学技术大学的合作。相关成果发表在国际学术期刊《焦耳》上。

这是存放在南京大学月球样品实验室的嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

这是储存在南京大学月球样本实验室的嫦娥五号月球土壤样本。新华社记者陈希元 摄

月壤可产氧气和燃料

据论文第一作者、南京大学教授姚英芳介绍,2021年以来,作为中国空间技术研究院联合研究团队成员,南京大学团队先后开展了1克月土。研究人员利用机器学习等研究方法,详细分析了0.2克样本的结构组成。

在南京大学月球样本实验室,记者看到了存放月球土壤样本的“手套箱”。机器内部环境与外界隔绝,研究人员需要将手伸入手套进行操作。姚英芳告诉记者,“手套箱”通过不断向内部注入氮气,将氧气和水分的含量控制在非常低的水平,并确保内部气压高于外部,以防止月球土壤样本受到污染。

这是南京大学月球样品实验室的“手套箱”,用于保存嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

这是南京大学月球样本实验室的“手套箱”,用于保存嫦娥五号月球土壤样本。新华社记者陈希元 摄

“在这项研究中,我们从材料科学的角度对月球土壤进行了详细的矿物分析,发现了 24 种主要矿物。”姚英芳说,“嫦娥五号月球土壤样品主要来自月球表面的玄武岩,富含铁、钛等元素,是人工光合作用常用的催化剂成分。”

月壤可产氧气和燃料

研究人员使用月球土壤作为催化剂,参与水和光的光伏电解。催化水分解、光催化二氧化碳还原、光热催化二氧化碳加氢等4个反应。结果表明,月球土壤样品在光伏水电解和光热催化二氧化碳加氢反应中表现出优于陆地玄武岩的催化性能。

这是存放在南京大学月球样品实验室的嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

这是储存在南京大学月球样本实验室的嫦娥五号月球土壤样本。新华社记者陈希元 摄

“这些反应以水和二氧化碳为原料,在模拟阳光的照射下生成氧气、氢气、甲烷和甲醇。”姚英芳介绍,“其中氧气是人类生存的关键。作为生存资源,氢气和甲烷是火箭推进剂的重要组成部分,甲醇是重要的化工原料。”

“也许我们将来可以在月球上建一个小型化工厂。”姚英芳告诉记者,这项研究的目的是调查月球土壤是否可以作为资源利用。 “如果我们能在月球上采购材料,将月球自身的资源和人类代谢废物转化为资源和能源,就能降低载人航天的成本。”

月壤可产氧气和燃料

姚应芳介绍,每个月土壤都是无价之宝。在正式实验之前,研究人员将利用地球表面的玄武岩碎片等材料进行模拟实验。

“但与地球样品相比,嫦娥五号月球土壤样品的催化性能要高出一个数量级,并表现出更好的选择性。”姚应芳说,所谓“选择性”,是指反应产物的催化特异性。 “月球土壤的催化产物只有甲烷和甲醇,利用地球上的玄武岩碎片进行实验,催化产物中也含有少量甲烷和甲醇,但大部分是一氧化碳。虽然一氧化碳也是可燃物,因为它的毒性月壤可产氧气和燃料,我们或者不想在航天活动中看到它。”

为什么月球表面的玄武岩碎片与地球表面的不同?研究人员推测,数十亿年的太阳风“吹”起了作用,尤其是太阳风携带的氢、氦等元素“改造”了月球土壤。 “我们正在对此做进一步的研究,”姚应芳说。 (记者陈希元、刘宇轩、陈胜伟)

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