引 言
利用月球土壤就可以在月表批量制造出氧气？
总部位于比利时的一家商业航天公司正在加速推进这个雄心勃勃的项目。在获得的一份太空应用服务公司针对这一项目的声明中显示，该公司宣布与欧洲航天局签订了一份合同，将建造三个实验性反应堆。这些反应堆将用于调整在月球上测试氧气制造过程。这将作为计划于2025年进行的“原地资源利用示范（ISRU）任务”的一部分在月球上进行测试。
受访公司简介
Space Applications Services 太空应用服务公司
太空应用服务公司是一家独立的比利时公司，成立于1987年，在美国休斯顿设有子公司。公司的目标是研究和开发创新的系统、解决方案和产品，为航空航天和安全市场及相关行业提供服务。公司活动涵盖了载人和无人航天器、发射/再入飞行器、控制中心、机器人技术和广泛的信息系统。
公司团队由来自许多不同国家的高素质和经验丰富的工程师组成，四分之一的员工拥有博士学位。公司在欧洲、美国和俄罗斯均有合作伙伴。
■ 原 理
Part1
就地取材从月球土壤中分解出氧气
制氧机将依靠“FFC剑桥工艺”，该工艺最初开发于上世纪90年代末，用于从氧化钛中直接提取钛，氧化钛可在自然界的矿物金红石和锐钛矿中找到。该工艺以其发明者George Chen、Derek Fray和Thomas Farthing（简称FFC）以及他们工作的英国剑桥大学的名字命名。这项工艺利用电解技术从矿石中分离纯金属。
在月球环境中，该技术将把已知由高达45%的氧气组成的月球表面的月壤（风化层）分解成金属合金和纯氧。在这个过程中，月壤被用作阴极，即电流进入电解池的电极，在此过程中释放出氧气。
▲左边是未处理的模拟月壤，右边是用FFC剑桥工艺提取氧气后的相同月壤（图源网络）
FFC剑桥工艺已经在地球上应用开发了30多年。而在其“太空版本”的应用中，任何成分的月球材料都可以被送入熔化的氯化钙中，形成阴极。该工艺使用一个电解池，在电解池上施加足够高的电位来分解阴极（月壤），在阳极直接产生纯氧，可用于船员的生命支持或在月球上生产推进剂，同时在阴极获得有用的金属，具有潜在的未来制造应用。
除了FFC剑桥工艺外，太空应用服务公司还在研究另一种从月球土壤中提取氧气的技术：钛铁矿的氢还原。钛铁矿是一种在月球某些地区发现的富含钛的矿石。还原技术是将风化层与氢气一起放在封闭的容器中烘烤。在热的存在下，钛铁矿中的氧气与氢发生反应，形成水蒸气，水蒸气可以分解成氧气和氢。
▲显微镜下月壤的氧气分离图像（图源网络）
■ 应 用
Part2
造氧可用作燃料
合金用来制造月球基地
尽管从地球运输氧气对短期太空旅行或者容易轻松补给的任务来说效果不错，但对太空探索倡导者说，在“本地”制造的氧气将是维持人类在任何天体上长期存在的关键。提取氧气后留下的金属合金也不会被浪费。在未来，它们可以被用来制造月球基地或火星站的部件，例如用3D打印。
除了维持宇航员的生命之外，在月球上制造的氧气和氢气可以作为燃料，用于探索太阳系深处行星等任务——例如前往火星。
太空应用服务公司在一份声明中说，公司最近完成了2025年任务装备的早期设计阶段，将首次展示直接利用当地月球资源从端到端直接生产氧气和水。
■ 热 潮
Part3
“太空制氧队列”中
多个国家已开始赛跑
其实，在太空中“造氧”近年来已经不是新鲜事儿。就在太空应用服务公司与欧洲航天局的“官宣”前，据《以色列时报》报道，以色列一家名为Helios的初创公司表示，他们已经开发出可以从月壤中生产燃料所需氧气的技术。这将使得多次和长期的月球任务在经济成本上是可行的，可以使得在月球上的生活可以真正实现“就地取材”，而不是必须从地球上携带所有的燃料和资源。
这家公司透露，该倡议已获得以色列航天局和能源部的资助，将开发一个系统，将在未来三年的两次太空任务中发射应用。
中宇航联了解到，该公司开发的制氧工艺被称为“熔融岩浆电解”，使用的是一个由土壤供给的反应堆。它能在1600摄氏度的温度下融化月球土壤，然后通过电解产生氧气，最终将这些氧气储存起来使用。
▲1600摄氏度高温下溶解月壤（图源网络）
Helios创始人乔纳森·盖夫曼解释说，公司已经模拟了月球上大部分的条件来测试该系统，使用的是从佛罗里达中部大学根据从月球带回的样品开发的月球状沙子。他说，目前最大的未知数是该技术在缺乏重力的情况下如何工作。目前为了验证这一点，正在进行两项试点任务。
此外，该公司表示按照SpaceX等商业航天公司未来十年的计划，建立月球基地或进行经常性的月球访问，可能需要每年有数千吨的氧气作为火箭推进剂使用。SpaceX星际飞船在满载时，预计重达1200吨，其中850吨将是氧气。该公司说，向月球运送任何东西，每公斤都要花费几十万美元-——这使得长期任务在经济上是不可行的，除非在月球上可以生产氧气。
公司表示，从月球表面制造氧气将是实现太空任务可持续增长的关键。月球和火星土壤中几乎45%是由氧气构成的，这使得就地取材生产能够满足日益增长的氧气需求。
当然，与比利时的太空应用服务公司、以色列的Helios公司一样，“太空制氧队伍”中从来不乏追求者。作为欧洲航天局项目的一部分，英国工程师也正在研究从月球尘土中提取氧气的过程，以创造一个永久和可持续的月球基地。而一个“氧气工厂”的原型已经在荷兰建造起来。而最典型的案例，要数美国航天局的毅力号探测器搭载MOXIE造氧机已经成功在火星上生产出了纯氧
▲位于荷兰诺德韦克的欧洲太空研究和技术中心（ESTEC）的材料和电气元件实验室里，已经建立了一个原型氧气厂。图为科研人员从月尘中提取氧气。（图源网络）德韦克的欧洲太空研究和技术中心（ESTEC）的材料和电气元件实验室里，已经建立了一个原型氧气厂。图为科研人员从月尘中提取氧气。（图源网络）
关于月表就地取材造氧，将面临哪些挑战？未来这一技术将如何运用于太空探索？何时能真正实现月表造氧？中宇航联专访了欧洲航天局相关负责人，将在下篇为您揭晓答案。
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