足够80亿人呼吸10万年！月球上有那么多氧，为何目前还无法使用

　　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。
　　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。
　　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。
　　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？
　　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。
　　（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？
　　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。
　　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。
　　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。
　　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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