探索宇宙奧秘 · 理性思考

氧氣是太空探索的命脈。每送一公斤氧氣到月球，火箭需要從地球表面運(yùn)輸約二十公斤推進(jìn)劑。這條供應(yīng)鏈昂貴且脆弱。**如果能在月球上直接"種"出氧氣，人類定居月球的可行性將發(fā)生質(zhì)變。

2026年2月，NASA的Carbothermal Reduction Demonstration（CaRD）團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)里程碑測試。他們利用聚光太陽能，成功從模擬月壤中提取出氧氣，并確認(rèn)產(chǎn)生了碳 monoxide。這一突破意味著未來宇航員或許只需攜帶鏡子和碳，就能在月球南極的陽光充足的地區(qū)建立氧氣工廠。

這次測試在地球上模擬了月球南極的極端環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)搭建了一套集成原型系統(tǒng)：聚光器將陽光聚焦到反應(yīng)器，精密反射鏡追蹤太陽角度，碳熱還原反應(yīng)器則負(fù)責(zé)化學(xué)轉(zhuǎn)化。

Sierra Space公司提供了核心反應(yīng)器，NASA格倫研究中心設(shè)計(jì)了太陽能聚光器，復(fù)合材料鏡面應(yīng)用公司制造了高精度反射鏡�？夏岬虾教熘行呢暙I(xiàn)了電子設(shè)備和氣體分析系統(tǒng)，約翰遜航天中心統(tǒng)籌項(xiàng)目管理。這套"全明星"配置驗(yàn)證了端到端的制氧流程。

測試的關(guān)鍵成果在于集成驗(yàn)證。以往實(shí)驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室用電爐加熱，而CaRD首次在系統(tǒng)層面證明了太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的可行性。反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳并非廢料，它可以循環(huán)參與反應(yīng)，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷推進(jìn)劑。

月壤并非普通土壤。它富含橄欖石、輝石和鈦鐵礦等礦物，氧元素含量高達(dá)40%至45%。但這些氧牢牢鎖在金屬氧化物晶格中，常規(guī)方法無法直接呼吸或使用。

碳熱還原是破解這道鎖的鑰匙。該技術(shù)向高溫反應(yīng)器中加入碳（或碳 monoxide），在約1000至1600攝氏度下，碳奪取金屬氧化物中的氧，生成一氧化碳?xì)怏w。后續(xù)通過水汽變換反應(yīng)或電解，就能將一氧化碳轉(zhuǎn)化為純凈氧氣。

太陽能聚光恰好提供了所需的高溫環(huán)境，且無需攜帶核電池或燃料電池。月球南極的高地?fù)碛薪跤篮愕娜照�，這為持續(xù)生產(chǎn)提供了理想條件。據(jù)估算，一噸月壤可提取約100至150公斤氧氣，足以支持一名宇航員生存數(shù)月。

人類對月壤制氧的探索并非始于今日。1969年阿波羅11號(hào)帶回首批樣本后，科學(xué)家就分析了月壤的化學(xué)成分，意識(shí)到這是一個(gè)巨大的氧礦。但受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)，這一設(shè)想長期停留在紙面。

上世紀(jì)90年代，NASA正式提出"原位資源利用"（ISRU）概念。2000年后，各種制氧技術(shù)進(jìn)入地面驗(yàn)證階段：氫還原法、熔鹽電解法、碳熱還原法并行發(fā)展。2020年代，隨著阿爾忒彌斯計(jì)劃推進(jìn)，技術(shù)成熟度需求從實(shí)驗(yàn)室走向工程樣機(jī)。

CaRD項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于能源選擇的戰(zhàn)略性。早期方案多依賴核電或蓄電池，而CaRD選擇直接利用太陽能。這不僅減輕了載荷，也為火星任務(wù)鋪平道路�；鹦谴髿庵懈缓趸�，同樣的下游系統(tǒng)經(jīng)改造后，可將CO2轉(zhuǎn)化為氧氣和甲烷，為返程火箭提供燃料。

中國科學(xué)家在這一賽道同樣進(jìn)展迅速。2020年嫦娥五號(hào)帶回1731克真實(shí)月壤后，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)獲得了前所未有的實(shí)驗(yàn)材料。

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所團(tuán)隊(duì)利用嫦娥五號(hào)樣本，詳細(xì)分析了月壤的礦物組成和還原特性。研究發(fā)現(xiàn)，中國采集的月壤鈦鐵礦含量較高，這對碳熱還原極為有利。國家空間科學(xué)中心聯(lián)合多家單位，建立了完整的月壤制氧工藝數(shù)據(jù)庫。

在工程驗(yàn)證層面，中國航天科技集團(tuán)五院502所等機(jī)構(gòu)開展了熔鹽電解制氧和碳熱還原的地面試驗(yàn)。2023年，我國科學(xué)家提出了"月壤催化水解制氧"新路徑，利用月壤中的鈦鐵礦作為催化劑，在較低溫度下分解水制氧。這種"因地制宜"的思路與NASA的CaRD項(xiàng)目形成了技術(shù)路線的互補(bǔ)。

值得注意的是，中國正在規(guī)劃月球科研站的原位資源利用系統(tǒng)。根據(jù)探月工程四期任務(wù)規(guī)劃，未來有望在月球表面建立綜合性資源利用試驗(yàn)裝置，將制氧、制水、建筑材料制備整合為一體。這與NASA的月球南極開發(fā)計(jì)劃形成了有趣的競爭與合作關(guān)系。