如果有一天，我们真的在月球上安了家，喝的水、呼吸的氧气，甚至火箭燃料，全都来自脚下的土和石——月壤。这听起来像科幻小说，但最近，中国科学家又朝这个目标迈出了一步。
7 月 16 日，细胞出版社 （Cell Press）旗下期刊 《焦耳》（《Joule》）发表了题为 《Inherent lunar water enabled photothermal CO₂catalysis》（《月球固有的水使光热 CO₂催化成为可能》）的论文。来自南京大学、香港中文大学 （深圳）、中国空间技术研究院等的研究团队，首次实现了一种一体化的 「地外光合作用」 系统：在月壤中提取水，并与二氧化碳在阳光加热下转化为氧气和燃料。
这意味着，在极简的条件下，仅凭阳光、月壤和宇航员呼出的 CO₂，就可能制造出支持人类生存的基本要素：水、氧气和能源。
在太空运输任何资源都代价高昂。据估算，每位宇航员每天需要约 4 加仑的水，而将一加仑水送入太空，成本高达 8.3 万美元。因此，在地球之外就地取材，也就是所谓的原位资源利用 （ISRU），长期是太空探索的核心方向。
「我们从未真正预料到月壤的 『魔法』」，文章通讯作者、香港中文大学 （深圳）的王璐教授在文章发表后这样向媒体说。
让月壤拥有 「魔法」 的，是其中天然存在的一种神奇矿物——钛铁矿 （FeTiO₃）。它结构疏松、像海绵一样能吸附太阳风中的氢原子，是月壤中重要的 「储水库」；同时，它还具有光热催化性能，能在阳光加热下推动 CO₂和水的反应。
换句话说，产生水和氧气这两件事，月壤不仅提供了原料，还自带催化剂。将两个过程整合到一起，正好顺理成章，构成了一个出人意料的简洁方案。
事实上，早在 2021 年以来，南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学 （深圳）、中国科学技术大学等单位就组成联合研究团队，对嫦娥五号带回的月壤样本开展研究。这也正是本次论文的主要作者团队。
2022 年，他们首次发现，月壤能作为催化剂，推动水和二氧化碳的光热反应，催化性能甚至超过地球玄武岩一个数量级。「嫦娥五号月壤主要来自玄武岩，富含铁、钛等元素，而这些正是人工光合成中常用的催化剂成分。」 南京大学教授姚颖方曾这样对媒体介绍。
巧合的是，在月壤提水的探索中，钛铁矿再次成为关键角色。2024 年，中国科学院物理所等团队研究发现，1 吨月壤可以提取超过 50 公斤的水，钛铁矿在五种主要月球矿物中产水最多。然而，这一过程通常需将月壤加热至接近 1000°C，能源成本不低。
而本次研究的最大亮点之一，正是显著降低了这一过程的能源门槛。研究团队利用光热反应器，在地球实验室中模拟月球日照条件，在不额外供能的情况下，验证了钛铁矿同时完成 「提水+CO₂转化」 的可能性。
「对我们来说，最大的惊喜是这种集成方法取得了切实的成功。」 王璐说，「月球水提取和光热二氧化碳催化的一步集成可以提高能源利用效率，并降低基础设施建设的成本和复杂性。」
靠太阳提供热源、靠月壤催化反应，月球极大的昼夜温差，反而给这个 「人工光合作用」 提供了意外契合的帮助。月球地表白天温度超过 100°C，太阳为光热反应提供条件；而夜间温度降至-170°C，又正好有利于收集二氧化碳冷凝成干冰，为第二天的反应提供原料。
「或许我们以后能够在月球建设一座小型化工厂。」2022 年，姚颖方在接受新华社采访时畅想。「如果我们能在月球上就地取材，把月球资源和宇航员的代谢废物转化为水和燃料，就能显著降低载人航天的成本。」 这项 2025 年的进一步研究，正是对当年设想的有力推进。
可行性究竟几何？
当然，现在就庆祝也许为时尚早，目前这项技术距离实际部署仍有距离。王璐也坦言，目前的催化性能 「仍然不足以完全支持人类在地球以外环境中的生命」。研究团队在论文中指出，未来必须克服催化效率、气体收集、反应速率、月壤异质性等一系列技术挑战，同时还需应对构建与维护系统的高成本与复杂性。
香港大学地球与行星科学系研究助理教授钱煜奇评价说，这项研究为未来在月球利用原位资源提供了 「可行而前瞻的路径」，「对我国深空探测，尤其是国际月球科研站的建设具有启示意义」。
但钱煜奇同样指出，真正落地仍会面临诸多问题，「有相当多的困难需要克服」。所有这些问题中，最为关键的也许是：「月壤性质差异明显，不同月壤性质是否会对这一反应路径产生影响 （例如钛铁矿含量）？月壤成分差异是否会影响催化反应？产率是否足够？气体如何高效分离？是否具备经济可行性？」
尽管如此，这项研究仍代表着人类迈向月球自给生态系统的重要一步。这意味着月球可能不依赖地球运输、自行生产水、氧气和燃料，成为第一站地外补给，也为更远的火星基地、深空探索提供模板。
也许在不远的将来，人类移居月球将不再是 「能不能」 的问题，而是靠什么系统实现自给自足。通过人工 「土壤光合作用」 替代地球植物，让阳光与尘土转化为维持生命的氧气、水和能源，这项听起来遥远的技术，或许正在慢慢成为现实。
无论如何，利用以月壤为代表的原位资源构建可持续系统，或许正是未来月球基地建设的必由之路，钱煜奇说。
参考资料：
1.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00187-4
2.https://www.eurekalert.org/news-releases/1090785
3.https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0
4.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00178-7
5.http://www.xinhuanet.com/2022-05/12/c_1128644908.htm
本文来自微信公众号：知识分子 （ID：The-Intellectual），作者：程雨祺、李珊珊，责编：李珊珊
