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月球上有氧气？中国科学家突破月面制氧技术，但耗资巨大

老粥科普 2021-11-13 浏览32次

美国宇航局NASA决定继续尝试 “阿耳忒弥斯”计划，以巨型火箭“太空发射系统”（SLS）和“猎户座”飞船作主力、配以SpaceX的“星舰”飞船，要在2025年把人送上月球。几乎与此同时，中国航天五院508所果琳丽研究员在月面制氧技术上取得突破，这项技术能从月球表面的月壤中提取氧气，供宇航员呼吸。

“阿耳忒弥斯”计划

月球表面几乎是真空，只有最贴近月面的地方存在微量氢、氦、氖、氩、钠和钾原子，每立方厘米空间里大约有80000个原子，看起来很多？实际上把整个月球表面的气体收集起来也不超过10吨。

人不能靠呼吸氢气或惰性气体生存，我们需要氧气，月球上有氧气吗？准确来说是有的，只不过，月球表面的氧气并不是以气体形式存在，早在几十亿年前，所有的氧气都与其它元素结合成化合物，变成了石头和粉末。

月球表面有很多氧

通过对从月球表面采回的岩石及月壤样本进行分析后，科学家们发现这里绝大部分都是氧化物，因为没有水和酸参与反应，月球表面的矿物成分极其简单，而其中氧就占了物质总量近44%！

氧是一种活泼的化学元素，它非常容易与其它元素发生反应，所以尽管它在宇宙中广泛存在，你却很难找到游离的氧气。地球大气中几乎所有氧气都是几十亿年来由微生物和植物从二氧化碳中分离出来，月球上没有二氧化碳，没有液态水，更没有蓝藻，因此我们需要用科学方法提取氧气。

电解铝工艺

如果你了解电解工艺，对铝的生产应该会很熟悉。在电解制铝车间里，人们将氧化铝粉末溶解到950~970℃的熔融冰晶石中，再通过石墨电极输入强大的直流电，就能将氧和铝分开，其中铝是主产品，氧气是副产物。氧气在高温的石墨电极旁边产生，它能很快与石墨里的碳发生化学反应生成一氧化碳和二氧化碳。

庞大的电解铝车间

月球表面有充足的光照资源，因此可以通过太阳能电池将光能转化为取之不尽的电能，再利用高温电解的方法制取氧气，同时得到我们所需要的金属。

那么，月球表面的岩石可以制取多少氧气呢？

每立方米月壤中平均含有1.4吨矿物质，这些矿物质基本都是氧化物，其中包含了大约630千克氧气。一个成年人每天大约需要800克氧气来维持生存，630千克氧气大约够一个人使用2年。月球表面积大约有3800万平方千米，如果我们将月表10米深的矿物质都拿来冶炼，得到的氧气就足够80亿人呼吸10万年！这还没考虑二氧化碳重复使用的情况。

月球矿场想象图

与传统电解铝工艺相比，果琳丽研究员的熔融制氧技术更加简单：通过高温将月岩和月壤加热到1600~2500℃，使其变成岩浆，再通电进行电解，氧气就能从熔岩中释放出来。这样做的优点是效率比较高，每1000克月壤可以制取200~300克氧气，污染小，所有材料都可以从月球表面就地取材，不需要冰晶石之类的溶质，还能获得有用的金属。

然而以目前的航天技术水平，任何在月球表面开展的工业活动，其成本都是天价。

“星舰”着陆月球想象图

就拿美国“阿耳忒弥斯”计划来说吧，为了将两名宇航员送上月球，他们需要用SLS火箭将“猎户座”飞船送到环月轨道。“猎户座”没有在月面着陆的功能，得再从地面发射“星舰”飞船。星舰飞船没有足够燃料飞到月球，它得先绕着地球兜圈子，SpaceX从地面发射5~10艘星舰给它加油，之后才能飞去月球。“星舰”飞到环月轨道与“猎户座”对接，再载着宇航员降落月球。从月面升空后，宇航员需要再“倒车”乘坐“猎户座”返回地球。

如此复杂的登月程序，令人眼花缭乱的一系列对接和飞行，每次耗费成本都要数十亿美元。

SLS火箭还没试飞过，至今已经花掉了230.11亿美元（包括通胀，下同）；“猎户座”飞船也花掉了228亿。NASA估计这两头“吞金兽”接下来每年都至少吃掉20亿美元，即便计划顺利实施，SLS每次发射还得再烧20亿（未平摊开发费用），飞船的钱没法算。

这还没考虑“星舰”的价钱，它至今依然是几个不锈钢桶，即便是建成之后，SpaceX依然需要通过大量发射来证明自己足够可靠。