随着太空探索的进步，我们最近看到大量时间和金钱被投入到能够有效利用太空资源的技术上。而在这些努力的前沿，寻找在月球上生产氧气的最佳方式始终是重中之重。今年10月份，根据“阿尔特弥斯”(Artemis）重返月球计划，美国宇航局(NASA)与澳大利亚航天局签署了一项协议，将后者制造的一辆月球车送上月球，目标是收集月球岩石，最终研究为月球提供可呼吸的氧气。


月球克拉维斯陨石坑内的景象


虽然月球确实有大气层，但它非常稀薄，主要由氢、氖和氩组成，这不是那种可以维持人类等哺乳动物依赖氧气生存的气体混合物。


也就是说，月球上实际上有充足的氧气，只是它不是气态的。相反，这些氧气被困在覆盖月球表面的岩石和微尘层里。如果我们能从中提取氧气，这足以维持月球上生活的人类生存吗？


氧可以在我们周围地下的许多矿物中找到，而月球大部分是由在地球上能找到的岩石组成的。硅、铝、铁镁氧化物等矿物质帮助塑造了月球的景观。所有这些矿物质都含有氧气，但不是以人类可以直接呼吸的形式存在。


在月球上，这些矿物以几种不同的形式存在，包括坚硬的岩石、尘埃、砾石和覆盖在月球表面的石头。这种物质是几千年来陨石撞击月球表面形成的结果。


有些人把月球表层称为“月球土壤”，但许多土壤学家对此有异议。他们认为，土壤是一种非常神奇的东西，只有在地球上才有。它是大量生物在土壤的母物质（风化层，源自坚硬的岩石)中繁衍生息了数百万年而形成的。


其结果是形成了原始岩石中没有的矿物基质。地球土壤具有显著的物理、化学和生物特性。同时，月球表面的物质基本上是原始原状的风化层。


月球的表层由大约45%的氧气组成，但氧气与上面提到的矿物质紧密结合在一起。为了打破这些牢固的纽带，我们需要投入能源。


在月球表面部署仪器的宇航员


如果你了解电解，你可能会对这个过程很熟悉。在地球上，这种工艺通常用于制造，比如生产铝。电流通过电极流过液态氧化铝（通常称为氧化铝），将铝从氧中分离出来。


在这种情况下，氧气是作为副产品出现的。而在月球上，氧气将是主要产品，提取的铝（或其他金属）将是潜在有用的副产品。这是个相当简单的过程，但有一个问题：它非常耗能。为了维持可持续发展，需要得到太阳能或月球上其他可用能源的支持。


从月球表层中提取氧气也需要大量的工业设备。我们需要首先将固体金属氧化物转化为液体，要么是通过加热，要么是通过加热与溶剂或电解质相结合的方法。我们在地球上拥有这样的技术，但将这类设备搬到月球上并产生足够的能源来运行它，将是一个巨大的挑战。


今年早些时候，总部位于比利时的初创公司Space Applications Services宣布正在建造三个实验反应堆，以改进通过电解制造氧气的过程。他们预计到2025年将这项技术送上月球，作为欧洲航天局就地资源利用(ISRU）任务的一部分。


那么，当我们真的成功完成上述准备工作时，月球实际上能提供多少氧气呢？事实证明，数量非常大。如果我们忽略束缚在月球更深的坚硬岩石材料中的氧气，只考虑表面很容易接触到的风化层，我们可以得出个大概数字。


平均每立方米月球表层含有1.4吨矿物质，其中包括约630公斤氧气。NASA表示，人类每天需要呼吸大约800克氧气才能维持生存。因此，630千克的氧气可以维持一个人大约两年的生命。


假设月球风化层的平均深度约为10米，且我们可以从中提取所有氧气，这意味着月球表面就将提供足够的氧气，供养地球上所有80亿人大约10万年。这还取决于我们如何有效地提取和利用氧气。不管怎么说，这个数字都相当惊人！