人们一直好奇月球上有没有水(足够80亿人呼吸10万年)

2030年前,我国有望实施载人登月计划!近日,中科院院士叶培建在接受采访的时候,表达出了自己对祖国载人登月计划的期待和信心。

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近些年来,我国航天事业取得了突飞猛进的发展,速度之快令全世界都为之震惊。让航天员踏足到月球表面,这个梦想曾经听起来像是神话传说,如今就要成真了!不仅如此,我国还和俄罗斯签订了协议,准备共同开发月球基地,让航天员在月球表面常驻。

建立月球基地和普通的载人登月完全不同,需要的资源更多。除了需要足够的食物之外,氧气也是一大资源。要知道,建立月球基地比空间站还要更进一步,这就不仅仅是做一些科学实验的任务了,甚至未来要进行更宏伟的建设。如果想要实现这个梦想,有一种资源不可或缺,那就是氧气。

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在空间站,航天员能够执行的任务有限,所以氧气主要用来呼吸。通过电解水制取的氧气,就可以保证航天员的使用了。建立月球基地就是完全不一样的情况了,未来需要大量的生产,甚至火箭的发射也需要大量的氧气。如何在月球表面获取足够的氧气,对于人类来说至关重要。

大家都知道,月球是没有完整大气层的,只有一个极其稀薄、内部以氢气、氖气和氩气组成的大气结构,这些气体根本无法让人呼吸,也不可能在未来投入生产。

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这不意味着月球上就没有氧。其实,月球上的氧元素非常丰富,只不过目前不适合人类使用。你可能想象不到,这些氧元素都储存于月球的岩石之中。根据美国阿波罗11号的数据,月壤中有41.9%是二氧化硅,15.8%是氧化亚铁,13.6%是三氧化二铝,12.1%是氧化钙,还有8.2%的氧化锰以及7.6%的二氧化钛。

看得出来,这些矿物里面都有氧元素,算下来,月球的岩石中,大约有45%的质量都是氧元素,说月球上氧元素丰富一点也不夸张。可问题在于,这样的氧要如何使用呢?它们怎样才能供人类呼吸和使用呢?

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上个月,我国就取得了重大突破。在举办于深圳的深空探索科学技术与应用大会上,航天五院508所果琳丽研究员介绍了我国的最新成果——熔融电解法制氧。通过加热和电解的方式,我们有望将氧元素从月壤中提取出来,制备大量的氧气。

具体来说,就是给月壤进行加热,使其进入高温熔融的状态,阴离子和氧离子得以自由移动。此时通电进行电解,氧离子就会结合成为氧气,供人类使用了。在这个反应中,反应原料是钛铁矿(化学式FeTiO3)和氧化亚铁(FeO),反应温度在1600℃-2500℃之间。除了得到氧气之外,我们还能够得到钛和铁等产物,加以利用,反应方程式在下图有体现。

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(图片说明:果琳丽研究员介绍本次成果)

熔融电解法是目前比较受认可的月壤制备氧气手段,世界上许多其他的国家也在进行类似的尝试,比如美国、日本、以色列等。除此之外, 还有一些其他的方法也可以在月球上制氧,比如还原法、热裂分解法、氟处理等等。不论是哪种方法,都有其独特的优势和劣势,不过以熔融电解法的可行性最高。

今年早些时候,一家总部位于比利时的初创公司宣布,他们正在建造三个实验性反应器,预期能够改善电解铝的反应过程,并且希望自己的这项实验能够在2025年左右登陆月球,帮助欧洲航天局进行月球基地的建设。

说了这么多,月壤中到底有多少氧气可供人类使用呢?

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美国宇航局有一份数据:平均来说,每立方米月壤中大约有1.4吨可供我们使用的矿物,这里面包含的氧元素大约是630公斤。要知道,平均每个人每天呼吸的氧气量才只有800克。这么算下来,仅仅一立方米月壤所能提供的氧气就足以让1个人呼吸差不多2年的时间。

和地壳一样,月壳深处的岩石也是比较难以开采的,我们只能利用表层的一些月壤进行制氧。假设人类开采月壤的平均厚度是10米,那么如果人类能够提取其中全部的氧元素制成氧气,那么这些氧气足以支持80亿人(差不多是当今的世界人口总数了)呼吸10万年!

不得不说,这个数字的确是相当惊人了。至于人类要如何开采这么多氧气,就是上面那些实验的结果了。

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很多人也会问:反应方程式倒是有了,能源呢?如何给这些月壤加热并且提供电力给它电解呢?

这的确是一个比较关键的问题。从地球上携带能源肯定是不可能的,如果运载火箭能装那么多的能源,还不如直接带氧气去月球了。想要实现月表制氧,只能就地取材。

科学家想到的能量来源有两个,一个是月球上自带的能源,但是人类连月球基地都没有建设起来,直接利用月球自身能源更无从谈起。相比之下,第二种来源更可靠一点,那就是太阳能。

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虽然人类的太阳能技术已经有了长足的发展,但想要在月表制氧,仍然会面临相当大的挑战。我综合了多篇文献的研究成果,“杂糅”在一起的结果是:在月球中低纬度,建立一个由能量1000 s We~100 s kWe( Watts-electric) 的单个太阳能光电池组成的电池组,并且利用这种电能生产微波,可以相对有效地给月壤加热。

在今天,月球已经是世界各国关注的焦点,成为了“兵家必争之地”。月球上丰富的资源,和许多得天独厚的优势,都对一个国家的未来发展有着极其重要的意义,所以今天世界各国才会竞相开发月球,甚至建立月球基地。而这个月球基地的建设速度,很大程度上就要取决于月壤制氧实验的研究进展了。

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叶培建院士说,自己有生之年能够看到中国航天员踏上月球。我相信,他不仅能看到航天员上月球,也能看到中国人真的在月球上建造“月宫”!

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