隨著人類探索太空的腳步邁得越來(lái)越大，在月球上，甚至在火星上駐留并建設(shè)基地成為可能。想在月球上居住和旅行，水、氧氣等生存資源和交通工具就不可或缺了。而如果能在月球能就地取材，為人類提供生存的資源，那星際旅行的愿望或許就不再遙遠(yuǎn)。
近日，在中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜其中一個(gè)“太空抽屜”里，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)順利展開，成功實(shí)現(xiàn)了高效二氧化碳轉(zhuǎn)換和氧氣再生新技術(shù)的國(guó)際首次在軌驗(yàn)證。
地外人工光合作用怎樣實(shí)現(xiàn)？
光合作用在地球上并不是新鮮事，它是植物、藻類和某些細(xì)菌在可見光的照射下，利用光合色素將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過(guò)程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。
那么，什么是人工光合作用？國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席楊宇光解釋說(shuō)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體催化劑在光照射下可實(shí)現(xiàn)水的分解和二氧化碳轉(zhuǎn)換，并將其稱為“人工光合作用”。“人工光合作用”與綠色植物的光合作用有相似之處：第一，都是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)能；第二，反應(yīng)原料都是水和二氧化碳，產(chǎn)物是氧氣和含碳化合物。
國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：在天宮空間站上進(jìn)行的人工光合作用，這次產(chǎn)生的有機(jī)物是乙烯，這是一個(gè)廣義的光合作用。
2015年，我國(guó)科研人員提出在地外開展原位資源利用的“地外人工光合作用”概念并開展研究。“地外人工光合作用”是在地外通過(guò)物理化學(xué)方法利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水原位轉(zhuǎn)化成氧氣和含碳化合物。這一技術(shù)正是人類走向更深遠(yuǎn)的太空的基礎(chǔ)：
國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：未來(lái)人類在月球和火星建立基地，最核心的一個(gè)問(wèn)題就是要實(shí)現(xiàn)低成本可持續(xù)的基地長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。這里有兩方面的問(wèn)題，一是要實(shí)現(xiàn)低成本的人員和貨物的往返運(yùn)輸系統(tǒng)，另外一個(gè)是實(shí)現(xiàn)基地物資基本能夠自給自足。
也就是說(shuō)，如果人類的腳步再次踏入月球，甚至到達(dá)更遙遠(yuǎn)的火星和小行星，如何實(shí)現(xiàn)“擺脫地球資源供給”是人類長(zhǎng)期地外生存的主要挑戰(zhàn)之一。那么，“我們有可能在另一個(gè)星球上長(zhǎng)期居住嗎？”這一問(wèn)題目前已成為全球最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一。中國(guó)航天科技集團(tuán)郭佩介紹，利用星壤資源或火星大氣中的二氧化碳資源，原位制備氧氣和燃料，是實(shí)現(xiàn)地外原位資源利用并擺脫地球資源供給的重要手段。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：地外人工光合作用技術(shù)有望作為未來(lái)地外原位資源利用的重要技術(shù)之一，為我國(guó)載人深空探測(cè)重大任務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席楊宇光看來(lái)，目前我們?cè)谥袊?guó)空間站進(jìn)行的這項(xiàng)試驗(yàn)，就是在為未來(lái)做準(zhǔn)備。
國(guó)際宇航聯(lián) 空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：火星的大氣中有豐富的二氧化碳，而且目前無(wú)論是在月球還是在火星，人類都已經(jīng)找到了水的存在，利用火星的二氧化碳和水能不能制造其他的物資？美國(guó)的毅力號(hào)火星車已經(jīng)利用火星大氣中的二氧化碳進(jìn)行了制氧實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)產(chǎn)物是氧氣和一氧化碳，那能不能像地球上的植物一樣利用水和二氧化碳產(chǎn)生有機(jī)物呢？目前來(lái)看，無(wú)論是利用生物方法，還是物理化學(xué)的方法，這肯定是可行的。
據(jù)介紹，相比于常用的高溫、高壓二氧化碳還原技術(shù)，地外人工光合作用可以在常溫、常壓條件下實(shí)現(xiàn)二氧化碳還原和產(chǎn)氧；還能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能、太陽(yáng)能到電能再到化學(xué)能、太陽(yáng)能到熱能再到化學(xué)能等多種能量轉(zhuǎn)換方式，有效提高能量的利用效率。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：通過(guò)改變反應(yīng)的催化劑，可以定制化地獲得地外人工光合作用的不同二氧化碳還原產(chǎn)物，包括可作為推進(jìn)劑的甲烷或乙烯、可作為合成糖類的重要原料甲酸等，對(duì)未來(lái)地外長(zhǎng)期生存和原位資源利用有重要價(jià)值和意義。
特別值得一提的是，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)裝置雖然只是航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜其中一個(gè)“太空抽屜”，但是功能卻很強(qiáng)大。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：它不僅能夠在軌通過(guò)“人工光合作用”制備氧氣和含碳燃料，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和產(chǎn)物的在線分析，并獲得大量微重力環(huán)境下氣、液、固多相物理化學(xué)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。另外，這個(gè)“太空抽屜”還具備在軌“升級(jí)”能力，通過(guò)在軌更換模塊操作，可驗(yàn)證不同種類的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)快速迭代。
郭佩透露，目前，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)裝置已經(jīng)完成了第一、二階段共12次在軌試驗(yàn)，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于地外人工光合作用技術(shù)的二氧化碳轉(zhuǎn)換和氧氣再生，獲得了氧氣和二氧化碳還原產(chǎn)物乙烯。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：階段試驗(yàn)成功驗(yàn)證了常溫二氧化碳催化轉(zhuǎn)化，微重力下固、液、氣多相反應(yīng)界面上氣體輸運(yùn)與分離，空間高精度氣體和液體流量控制，以及氧氣和二氧化碳還原產(chǎn)物高靈敏度在線檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)獲得了大量微重力下的多相物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為發(fā)展地外原位資源利用新技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。
隨著人類探索太空的腳步邁得越來(lái)越大，在月球上，甚至在火星上駐留并建設(shè)基地成為可能。想在月球上居住和旅行，水、氧氣等生存資源和交通工具就不可或缺了。而如果能在月球能就地取材，為人類提供生存的資源，那星際旅行的愿望或許就不再遙遠(yuǎn)。
近日，在中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜其中一個(gè)“太空抽屜”里，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)順利展開，成功實(shí)現(xiàn)了高效二氧化碳轉(zhuǎn)換和氧氣再生新技術(shù)的國(guó)際首次在軌驗(yàn)證。
地外人工光合作用怎樣實(shí)現(xiàn)？
光合作用在地球上并不是新鮮事，它是植物、藻類和某些細(xì)菌在可見光的照射下，利用光合色素將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過(guò)程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。
那么，什么是人工光合作用？國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席楊宇光解釋說(shuō)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體催化劑在光照射下可實(shí)現(xiàn)水的分解和二氧化碳轉(zhuǎn)換，并將其稱為“人工光合作用”。“人工光合作用”與綠色植物的光合作用有相似之處：第一，都是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)能；第二，反應(yīng)原料都是水和二氧化碳，產(chǎn)物是氧氣和含碳化合物。
國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：在天宮空間站上進(jìn)行的人工光合作用，這次產(chǎn)生的有機(jī)物是乙烯，這是一個(gè)廣義的光合作用。
2015年，我國(guó)科研人員提出在地外開展原位資源利用的“地外人工光合作用”概念并開展研究。“地外人工光合作用”是在地外通過(guò)物理化學(xué)方法利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水原位轉(zhuǎn)化成氧氣和含碳化合物。這一技術(shù)正是人類走向更深遠(yuǎn)的太空的基礎(chǔ)：
國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：未來(lái)人類在月球和火星建立基地，最核心的一個(gè)問(wèn)題就是要實(shí)現(xiàn)低成本可持續(xù)的基地長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。這里有兩方面的問(wèn)題，一是要實(shí)現(xiàn)低成本的人員和貨物的往返運(yùn)輸系統(tǒng)，另外一個(gè)是實(shí)現(xiàn)基地物資基本能夠自給自足。
也就是說(shuō)，如果人類的腳步再次踏入月球，甚至到達(dá)更遙遠(yuǎn)的火星和小行星，如何實(shí)現(xiàn)“擺脫地球資源供給”是人類長(zhǎng)期地外生存的主要挑戰(zhàn)之一。那么，“我們有可能在另一個(gè)星球上長(zhǎng)期居住嗎？”這一問(wèn)題目前已成為全球最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一。中國(guó)航天科技集團(tuán)郭佩介紹，利用星壤資源或火星大氣中的二氧化碳資源，原位制備氧氣和燃料，是實(shí)現(xiàn)地外原位資源利用并擺脫地球資源供給的重要手段。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：地外人工光合作用技術(shù)有望作為未來(lái)地外原位資源利用的重要技術(shù)之一，為我國(guó)載人深空探測(cè)重大任務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席楊宇光看來(lái)，目前我們?cè)谥袊?guó)空間站進(jìn)行的這項(xiàng)試驗(yàn)，就是在為未來(lái)做準(zhǔn)備。
國(guó)際宇航聯(lián) 空間運(yùn)輸委員會(huì)主席 楊宇光：火星的大氣中有豐富的二氧化碳，而且目前無(wú)論是在月球還是在火星，人類都已經(jīng)找到了水的存在，利用火星的二氧化碳和水能不能制造其他的物資？美國(guó)的毅力號(hào)火星車已經(jīng)利用火星大氣中的二氧化碳進(jìn)行了制氧實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)產(chǎn)物是氧氣和一氧化碳，那能不能像地球上的植物一樣利用水和二氧化碳產(chǎn)生有機(jī)物呢？目前來(lái)看，無(wú)論是利用生物方法，還是物理化學(xué)的方法，這肯定是可行的。
據(jù)介紹，相比于常用的高溫、高壓二氧化碳還原技術(shù)，地外人工光合作用可以在常溫、常壓條件下實(shí)現(xiàn)二氧化碳還原和產(chǎn)氧；還能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能、太陽(yáng)能到電能再到化學(xué)能、太陽(yáng)能到熱能再到化學(xué)能等多種能量轉(zhuǎn)換方式，有效提高能量的利用效率。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：通過(guò)改變反應(yīng)的催化劑，可以定制化地獲得地外人工光合作用的不同二氧化碳還原產(chǎn)物，包括可作為推進(jìn)劑的甲烷或乙烯、可作為合成糖類的重要原料甲酸等，對(duì)未來(lái)地外長(zhǎng)期生存和原位資源利用有重要價(jià)值和意義。
特別值得一提的是，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)裝置雖然只是航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜其中一個(gè)“太空抽屜”，但是功能卻很強(qiáng)大。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：它不僅能夠在軌通過(guò)“人工光合作用”制備氧氣和含碳燃料，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和產(chǎn)物的在線分析，并獲得大量微重力環(huán)境下氣、液、固多相物理化學(xué)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。另外，這個(gè)“太空抽屜”還具備在軌“升級(jí)”能力，通過(guò)在軌更換模塊操作，可驗(yàn)證不同種類的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)快速迭代。
郭佩透露，目前，地外人工光合作用技術(shù)試驗(yàn)裝置已經(jīng)完成了第一、二階段共12次在軌試驗(yàn)，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于地外人工光合作用技術(shù)的二氧化碳轉(zhuǎn)換和氧氣再生，獲得了氧氣和二氧化碳還原產(chǎn)物乙烯。
中國(guó)航天科技集團(tuán) 郭佩：階段試驗(yàn)成功驗(yàn)證了常溫二氧化碳催化轉(zhuǎn)化，微重力下固、液、氣多相反應(yīng)界面上氣體輸運(yùn)與分離，空間高精度氣體和液體流量控制，以及氧氣和二氧化碳還原產(chǎn)物高靈敏度在線檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)獲得了大量微重力下的多相物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為發(fā)展地外原位資源利用新技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。
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