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建造月球基地,先要制備氧氣,我國科學(xué)家如何實(shí)現(xiàn)月壤制氧?

科學(xué)信仰
原創(chuàng)
泛科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者??茖W(xué)是一種規(guī)律,信仰是一種態(tài)度。
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就在2021年,我國宣布將聯(lián)合俄羅斯開發(fā)月球基地,而所選的時間節(jié)點(diǎn)就在距今不遠(yuǎn)的2030年。

說起來,距離預(yù)定開發(fā)月球基地的時間節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不足十年,我們這一代是否真的有幸看到人類旅居月球呢?就如我們所知的那樣,月球本身并不是一顆宜居星球,而且以人類的視角來看,它的生存環(huán)境甚至可以說是極端惡劣,所以想要直接在月球表面生活是基本無望的,要想在月球上長期居住就必須要建立月球基地,而在月球基地之中有一種資源是必不可少的,那就是氧氣。人每時每刻都需要呼吸,而月球本身是沒有氧氣的,那怎么辦呢?也許有人會說:“這有何難?只要參考空間站中的氧氣供給系統(tǒng)就可以了”。事實(shí)上并沒有這么簡單。

包括國際空間站在內(nèi)的諸多載人航天器都采用著相似的制氧系統(tǒng),也就是我們所熟悉的電解水制氧。

電解水制氧雖然簡單,但卻無法應(yīng)用于月球基地的建造,因?yàn)樵虑蛏蠜]有水。各種載人航天器,包括空間站,都只需要為幾名宇航員提供生命所需的氧氣,因此自然可以攜帶少量的水用以制氧。而我們建造月球基地,絕不是為了讓幾個人待在月球,真正的月球基地所能夠容納的人員是非常多的,而要為這么多人提供氧氣,所需要的水量也太過龐大了。目前人類所使用的化學(xué)動力火箭的有效載重是非常有限的,不可能將大量的水千里迢迢運(yùn)往月球,如果真要運(yùn)水,還不如直接向月球運(yùn)送氧氣更為合適。

所以月球基地內(nèi)的氧氣必須要自給自足,也就是利用月球現(xiàn)有的條件來制備氧氣,有什么辦法嗎?有的。

2021年在深圳舉辦的深空探索科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用大會上,來自航天五院508所的果琳麗研究員詳細(xì)地向我們介紹了我國的一項(xiàng)最新成果,使用月壤來制備氧氣。月球上雖然沒有以氣體形式存在的氧氣,但含氧物質(zhì)卻很多,它們就存在于月球的土壤之中。根據(jù)已取得的月壤數(shù)據(jù),我們知道月壤之中存在著大量的二氧化硅、氧化亞鐵、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化錳以及二氧化鈦等等,這些都是含氧物質(zhì)。

如何才能把月壤中含氧物質(zhì)里的氧提取出來了?我國科學(xué)家所采用的是“熔融電解法”。

熔融電解法簡單來講就是先加熱、再電解。熔融電解法所使用的主要原料就是月壤之中的鈦鐵礦以及氧化亞鐵,當(dāng)這些物質(zhì)被加熱到1600攝氏度到2500攝氏度時,將其通電,此時,月壤中各種元素就會被電離出來,這其中就有氧離子。被電離出的氧離子會自行相互結(jié)合,于是氧氣就形成了。這個方法聽起來并不復(fù)雜,但卻是行之有效,根據(jù)目前的計(jì)算,每100公斤月壤就可以制備出20公斤以上的氧氣,這個制氧效率可以說是非常高了。

月壤制氧只是理論嗎?當(dāng)然不。

其實(shí)利用月球土壤來制備氧氣并非我們的專利,早在2005年的時候,美國就舉辦過一次所謂的“月球制氧競賽”,不過當(dāng)時所使用的并不是真正的月球土壤,比賽當(dāng)然也不是在月球上進(jìn)行的,當(dāng)時所使用的是成分類似的火山灰來替代月球土壤。不過這一次我們所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有所不同,航天五院511所的科研人員通過嫦娥探測器平臺,在月球表面使用小型反應(yīng)爐真正進(jìn)行了月面制氧實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然,熔融電解法并不是月球制氧的唯一方法,除了熔融電解法之外,另一種可行的方法就是我們比較熟悉的還原法了,在最初接觸化學(xué)的時候,我們便知道了,氫氣是一種具有還原性的氣體。

因?yàn)闅錃饩哂羞€原性,所以就可以利用氫氣將金屬元素從礦物中置換出來,并生成水,而電解水制氧是最為簡單的,而且通過這一方法不僅能夠制備氧,還能夠產(chǎn)生水。

那么,相比還原法而言,熔融電解法的優(yōu)勢何在呢?有了氧氣,人類就擁有了建造月球基地的基本條件,但光有基本條件還不行,要打造月球基地,所需的資源種類和數(shù)量都是頗為龐大的,還是那個問題,火箭運(yùn)載能力有限,數(shù)量龐大的資源不可能從地球運(yùn)來,所以就得就地取材,通過熔融電解法制備氧氣,除了能夠產(chǎn)生氧之外,在電解過程中還會產(chǎn)生鐵、硅等副產(chǎn)品,而這些資源都可以應(yīng)用于月球基地的建造。

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2023-07-02