月球带回的“土特产”,南大有了新发现……

2022-05-11南京大学动态青塔

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

嫦娥五号探测器带回来的“无价之宝”,落户南京大学的1克月球土壤有了研究新发现!

有望借助月壤生产氧气和燃料

南京大学邹志刚院士、姚颖方教授团队与中国空间技术研究院、香港中文大学(深圳)、中国科学技术大学合作,发现嫦娥五号带回的月壤样本中,一些成分可作为催化剂,在太阳光作用下,将水和二氧化碳转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。团队详细分析嫦娥五号月壤的元素组成和矿物结构,从光伏电解、光催化和光热催化三个方面对嫦娥五号月壤的人工光合成性能进行了评估,并基于月壤人工光合成性能提出了可行的月球地外人工光合成策略,为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了物质基础。

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

嫦娥五号月壤是月球表面非常年轻的玄武岩,这种矿物中富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。

研究团队采用机器学习等方法,对月壤材料结构进行了多次分析,明确嫦娥五号月壤中主要的晶体成分大约有24种,其中作为人工光合成的良催化剂有钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石、以及多种铁基化合物等8种。同时,月壤表面具有丰富的微孔和囊泡结构,这种微纳结构进一步提高了月壤的催化性能。

研究团队进而采用月壤作为光伏电解水、光催化水分解、光催化CO2还原、以及光热催化CO2加氢等反应的催化材料,评估其性能。研究表明,月壤在光伏电解水和光热催化CO2加氢反应中具有较高的性能和选择性。基于以上分析,研究团队针对月球环境,提出利用月壤实现地外人工光合成的可行策略与步骤。即利用月球夜间的极低温度(-173°C),通过凝结将二氧化碳从人类呼吸空气中直接分离。然后嫦娥五号月壤作为水分解的电催化剂和CO2加氢的光热催化剂,将呼吸废气、月球表面开采的水资源等转化为O2、H2、CH4和CH3OH。这项工作为建立适应月球极端环境的原位资源利用系统提供了潜在方案,并且只需要月球上的太阳能、水和月壤。基于该系统,人类或可实现“零能耗”的地外生命保障系统,真正支持月球探测、研究和旅行。

该工作的相关研究成果以“Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil”(利用嫦娥五号月壤实现地外光合成)为题,发表在国际权威期刊《焦耳》(Joule)上。

月壤研究知多少

2020年12月17日,嫦娥五号探测器从月球带回21世纪的第一批月壤。初步测量后显示这批月球样品约1731克,首次实现了我国地外天体采样返回。

2021年7月12日,月球样品科学研究工作正式启动。近两公斤的月球样品中,共17.4764克被发放给13所科研机构,其中的1g月壤“落户”南京大学。

在获得月壤的13家单位中,南京大学联合中国空间技术研究院是唯一研究月壤改造和催化利用,实现月球资源原位利用和地外能源转换的团队。

在月球上长期生存是载人深空探测漫长旅途的第一个里程碑。最大限度地利用月球原位资源与能源,可以帮助我们在月球上建立一个兼具生命支撑和支持航天器发射的中继站。与现有的地外生存技术相比,地外人工光合成技术有望利用月球的资源与环境生产氧气、燃料和生存用品。这种技术能够在宽温度范围下运行,实现低能耗和高效能量转换。此外,地外人工光合成技术主要利用人类呼吸的CO2和月球上原位开采的水资源产生氧气和碳氢化合物。实现这一目标可以极大地提高人类生存的可行性和持久性,同时具有很高的经济效益。

作为月球上最丰富的资源之一,采用月壤作为地外人工光合成催化材料,是月球原位资源利用的重要组成部分。与地球上的催化剂相比,月壤或月壤提取成分作为月球上的人工光合成催化剂,可以大大降低航天器的载荷和成本。嫦娥五号月球样品为实现地外人工光合成提供了一个很好的机会。

延伸阅读

2021年10月8日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)在线发表了研究论文《嫦娥五号年轻玄武岩的年代与成分》。这是以嫦娥五号返回样品为研究对象发表的首篇学术成果。
2021年10月19日,中国科学院研究证明,嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩,并对嫦娥五号着陆区岩浆年龄、源区性质给出全新的认识。
2021年12月,中国科学院紫金山天文台联合南京地质古生物研究所通过嫦娥五号月球样品研究发现,嫦娥五号着陆区历史上可能曾经发生过多次火山喷发活动。
2022年1月8日,《科学-进展》上发表一项研究成果,由中科院地质地球所行星科学团队与上海技术物理研究所、国家空间科学中心等团队合作,首次获得了月表原位条件下的水含量。
2022年2月15日,国际学术期刊《自然》上发表一项研究结果。中国科学院空天信息创新研究院及合作者,利用嫦娥五号月球样品的同位素年龄和着陆区撞击坑统计结果,在目前常用月球年代函数的基础上建立了新的更精确的年代函数模型,为月球和行星科学研究提供更精确的时间标尺。

本文转载自:南京大学。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。

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