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月壤里的氧气够群民众用10万年,索要旨趣你高中就学过

发布日期:2022-09-11 14:49    点击次数:98

月壤里的氧气够群民众用10万年,索要旨趣你高中就学过

左图为反馈前的月壤模拟物,右图为反馈后残留住的合金(图片开始:Beth Lomax, University of Glasgow)

咱们都清楚,月球莫得大气层,但这并不代表月球上莫得氧。举例,月壤中就含有45%傍边的氧。而英国格拉斯哥大学的一位接洽者,基于咱们高中就学到的常识——电解法,开发出了从月壤中高效制备氧气的模范。

撰文 | 二七

审校 | 王昱

在斟酌向全国进发时,月球老是人类侨民联想的主见地之一。但想在月球生计下来并禁止易,在挂牵月壤不成种菜之前,月球基地需要管束一个关节问题——氧气。

咱们都清楚,月球莫得大气层,想要在月球上生活、责任必须“自带氧气”。对载人飞船或是空间站这些载人航天器来说,只需要知足几名宇航员的生活需求就可以了,氧气需求相对比较容易管束:这些航天器的制氧系统都是近似的,根柢旨趣等于咱们练习的电解水。

关连词要是想要开拓月球基地,让更多的人生活在月球上,致使把月球开拓成“天外驿站”为更进一步的全国探索提供补给的话,电解水看起来就不太“合算”了。尤其是洽商到咫尺人类使用的化学能源火箭载荷有限,要山南海北地往月球运水,不仅清贫,还资本极高。想要管束这个问题,照旧得从月球自己的资源下手。

氧气开始

要管束这个问题,一种思绪是平直在月球上找水:要是能在月球平直获取多数水资源,就可以用锻练的电解水手艺,“松驰”提供实足的氧气。基于已有的调查,咫尺仍是能阐明月球南北极地区存在水冰。尤其是月球南极-艾肯盆地隔壁地区,探伤器仍是证实这里有多数水冰。

这么看来,电解水似乎依然是个好主意。关连词问题在于,水冰并莫得遐想中容易开采。一方面,咱们对月球上水冰的数目、散播和存在情景还并空虚足了解;另一方面,证据预计,水冰存在的区域温度极低,可以达到-150℃,致使低于-200℃,无论是想要从这些低温地区踏实地开采水冰,照旧要把开采的水冰踏实运载到月球基地,都颇具挑战。

在月球高纬度地区,高耸的环形山能教会阳光历久照不到的区域,这些地方的温度历久不会高于-163℃,为水冰的存在提供了条目(图片开始:NASA)

比较之下,另一种思绪是欺诈月球上更为丰富易得的资源——月壤。和地球近似,月球最外层也有一圈岩石圈。地球上的岩石经过风吹雨淋和生物作用,会风化酿成泥土。而对月球来说,由于短少大气层保护,名义的岩石会平直显露在太阳发射的“风”和陨石“雨”的轰击之下,遭遇“天外风化”。天然短少生物和化学作用,但月球的岩石圈也会在天外风化和物理风化作用下跌空成极细的颗粒,平庸散播在月球名义,厚度可达几米到十几米,这等于月壤。

月壤中的主要因素包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化镁等各式氧化物和含氧化合物。对月壤样品的分析遵守夸耀,氧元素的质地占总质地的41%~45%,是月壤中含量最高的元素——可以说根柢无须愁原料开始了。但问题在于,咱们不成平直“吸石头”,照旧要想办法把矿物中细巧聚合的氧元素索要出来,最新动态制备成可供呼吸的氧气。

嫦娥四号着陆区域的地下浅层结构,传回的物性参数和雷达图像夸耀,地下0~12米主要由细粒月壤构成。(图片开始:Li et al., 2020)

月壤制氧

从氧化物或含氧化合物中索要氧气的思绪有好多,列国接洽者曾经做过许多尝试。举例,一些接洽尝试用氢气规复月壤中的氧化铁,获取液态水,再通过电解水制备氧气。但这种模范的产量(指索要的氧气分量/当作原料的月壤分量,下同)只可达到1%~3%,同期还只可应用在铁含量比较高的月壤原料上。另一种尝试是平直电解熔融的月壤,这种模范并不太受月壤因素的影响,表面上的产量也可以达到20%~30%,但需要1600℃的高温使月壤达到熔融情景。

有莫得产量更高,温度更低的模范呢?格拉斯哥大学的接洽人员贝萨妮·洛马克斯(Bethany Lomax)使用了“熔盐电解”(molten salt electrolysis)法,见效杀青了这个指标,况兼在地球上进行了实验。

接洽者将月壤放入一个金属的篮子中,并将熔融的CaCl₂当作电解质。将CaCl₂加热到熔融只需要950℃,在这个温度下,月壤依然保持固态,关连词电流可以让其中的氧穿过电解质迁徙到阳极,变成氧气开释出来。

天然,接洽者并莫得使用难得的月壤来进行覆按。他们参考了以往对月壤因素的分析遵守,聘用使用旧金山火山群的火山凝灰岩来当作月壤的替代品。证据测量,50小时后,样品中96%的氧被索要出来制备成了氧气。同期,75%的氧在前15小时就能被索要出来。

显微镜下,月壤模拟物实验前(上)和实验后(下)的变化。(图片开始:ESA)

事实上,这种熔盐电解的模范仍是被英国公司Metalysis充分开发,况兼应用于生意金属和合金坐蓐中了。“对Metalysis的坐蓐线来说,这个历程产生的氧气是不需要的副产物,因此会使用石墨阳极撤退氧气”,洛马克斯在攻读博士学位时代曾在该公司责任接洽这一历程,随后,他坚硬到这个手艺可以应用到月壤,“但氧气反而是咱们在月球最需要的东西,是以咱们重新策动了一个(以制氧为主见的)版块。”

Metalysis公司金属坐蓐工艺的基本主张图,电解质为熔融的CaCl2,当作阴极的金属氧化物被规复为相应的金属,同期在石墨阳极产生CO和CO₂。

但反馈剩下的部分也并不是废物,“坐蓐历程留住了一堆不同的金属”,欧洲航天局的接洽人员亚历山大·默里斯(Alexandre Meurisse)补充道,“这会是另一个很有用的接洽地方,咱们可以尝试将它们平直用于3D打印,当作月球基地的建筑材料。”

咫尺,接洽者试图通过治疗电流和反馈考剂来加多氧气产量和裁减所需温度。同期,他们还在尝试收缩开拓的体积,以便于将其运到月球。

欧洲航天局的接洽者正在操作仪器(图片开始:ESA)

氧气够用吗?

那么月壤能为咱们提供若干氧气呢?澳大利亚南十字星大学的泥土科学讲师约翰·格兰特(John Grant,并未参与这项接洽)进行了一些粗犷的计较:

“只洽商月壤的话,每立方米平均重1.4吨矿物资,包括约630千克氧气。而证据预计,人类每天需要呼吸约800克氧气智商生计。是以630千克的氧气可以让一个人存活好像2年。

“当今让咱们假定月壤的平均深度约为10米,咱们可以从中索要扫数氧气。这意味着月球名义的10米将提供实足的氧气来因循地球上扫数80亿人好像 100 000年的时代。

“这也取决于咱们究竟能多灵验地索要和使用氧气。不管怎样,这个数字照旧十分惊人的!”

话虽如斯,但在地球上,人类致使不需要奋勉就能获取充足的氧气来看守生计——咱们照旧应该尽一切奋勉保护这颗蓝色星球。

参考统一:

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_opens_oxygen_plant_making_air_out_of_moondust

https://theconversation.com/the-moons-top-layer-alone-has-enough-oxygen-to-sustain-8-billion-people-for-100-000-years-170013

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063319301758

本文经授权转载自微信公众号:环球科学 作家:环球科学

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不代表中科院高能所态度

剪辑:瑾岫

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