“地外人工光合成”推進人類搬家到外太空

邃瞳科學雲

太空旅遊是人類探索自然、挑戰極限的方式之一，因科技的進步而得以實現並飛速發展起來。未來，隨著升空遨遊的成本不斷降低，越來越多的能人異士會加入到這項高消費遊戲中，就像汽車從富豪圈中駛向千家萬戶。世界就是以無數個輪回交替向前的方式進化的，現如今又是富豪先行——打卡太空的時代。

2021年7月11日，維珍銀河創始人布蘭森乘坐太空飛機，在到達距離卡門線還差14公里的高空（卡門線是國際航空聯合會定義的大氣層和太空的界線，高度為100公里），經歷4分鐘失重體驗後，返回地球。為了這一短暫的體驗，布蘭森總計花費8.41億美元。

美國的吃瓜群眾不樂意了，認為這筆巨款本可被更好地利用在解決地球上更緊迫的問題上。另有相關媒體報道，緊隨其後的貝佐斯太空之旅受到更強烈的抵制，約有15萬人簽署呼籲書，要求阻止貝佐斯重返地球。

7月20日，亞馬遜創始人、全球首富貝佐斯搭乘藍色起源（貝索斯旗下的一家商業太空公司）開發的“新謝潑德”火箭，超越卡門線，在做短暫的停留後，依戀地看了一眼地球，毅然而然地又回來了。

（a）布蘭森（b）貝佐斯

布蘭森：
我可是商業太空飛行第一人！領先小貝9天呢！

貝佐斯：
呵！你花了一個多小時，拼了全力，才距地86公里，這撐死就叫高空飛行吧。我可是幾分鐘就越過卡門線，這就是速度與激情，這才是真正的太空旅行！

布蘭森：
什麼高度又時間的，不扯那些沒用的，咱買賣上見！來來來，買票啦，維珍銀河商業太空旅遊門票25萬美元/張，已收到600張預定，手慢無了哈。

貝佐斯：
哭暈在廁所（藍色起源 2800萬美元/張）

馬斯克：
哭暈在廁所×2（SPCACEX 5800萬美元/張）。。。

事實上，讓兩大富豪爭得臉紅脖子粗的商業太空旅行，都只是亞軌道飛行而已，就技術難度而言，跟真正軌道載人航天是沒辦法相提並論的。亞軌道飛行只需要克服地球重力勢能，達到距地80-100公里的高度即可，而軌道飛行不僅需要達到400公里的高度，還需要橫向加速到7.9 公里/秒的第一宇宙速度，所需速度增量遠遠大於亞軌道飛行。另外，在返回地球的過程中，亞軌道飛行只需自由落體即可，憑借滑翔或降落傘都可以平安落地；而軌道飛行需要利用地球大氣將第一宇宙速度減下來，這就要求有更加完備的熱防護系統。

我們頭頂上燦爛的星空

著名哲學家康德曾說過,世界上有兩種東西能夠深深地震撼人們的心靈,一件是我們心中崇高的道德准則,另一件是我們頭頂上燦爛的星空。太空探索已成為人類共同追逐的目標，一系列具有重大里程碑意義的探索任務正逐步開展，人類對太空探索的熱情高漲，太空旅行時代或已到來。

中國對於這片星空的探索，從二十世紀50年代，我國第一個火箭導彈研制機構——錢學森任首任院長的國防部第五研究院成立，到自主研制和發射建造空間站，到月球背面登陸挖土，到火星巡視探測，再到近日神舟十二號載人飛船成功發射，首次實現在空間站“入住”。中國人長達半個多世紀的太空探索，逐漸揭開神秘面紗。

（a）外太空和（b）航天飛行器

近日，我國第一批月球科研樣品發放儀式在北京國家航天局探月與航天工程中心隆重召開，國家航天局探月與航天工程中心主任、探月工程副總指揮劉繼忠表示，“每一粒樣品都彌足珍貴，要盡最大努力保護樣品，最大限度減少研究中的樣品損耗。”國家航天局向13家單位發放了共計31份月壤樣品，其中南京大學等單位同中國空間技術研究院聯合領取了8000毫克月壤科研樣品，將用於支撐地外生存的人工光合成材料的系統研究
。

（a）月壤（b）月壤樣品

看到這裏不禁好奇，月壤為何如此珍貴？為什麼要研究地外人工光合？月壤在此研究中又起到什麼作用？

人類在地外極端環境下生存和發展已成為太空探索要解決的核心問題之一，人類脫離地球，進行太空長期飛行、地外移民等活動，必須具備氧氣、燃料和營養的長期持續供應能力。將人類呼出的二氧化碳轉換為氧氣
，實現密閉空間的廢棄原位資源再生循環，可大大降低載人空間站、載人深空飛船的物資供應需求。同時，利用地外大氣環境中豐富的二氧化碳和水原位資源生產氧氣和燃料
，滿足人類在其他天體上長期生存和深空往返推進運輸的物質供給，是支撐可承受、可持續的載人深空探索任務的重要基礎。H2O/CO2原位轉換有望在解決上述問題中發揮重要作用。

當前，美國等航天強國為解決國際空間站的氧氣供應，采用電解水的方式為宇航員補充氧氣。為實現宇航員排出的二氧化碳再利用，NASA和JAXA在國際空間站上開發了一套二氧化碳還原和氧氣獲取裝置，其中二氧化碳還原是利用Sabatier方法通過氫氣將二氧化碳轉化成甲烷和水，氫氣通過電解水裝置獲得。Sabatier反應裝置為氣固兩相過程，核心裝置溫度為250-450℃，氣體最小壓力為55 kPa。其中地面實驗裝置質量約41 kg，總功率超過100 W。這一系統已於2010年10月完成在軌測試。

（a）MIP CO2轉換系統 （b）MOXIE CO2轉換系統

對於更具挑戰性的月球和火星等載人深空探索任務，美國最早提出原位制造氧氣和燃料的方案。針對火星上的二氧化碳資源，NASA在2001年提出了MIP計劃，利用高溫電解技術將二氧化碳還原為氧氣，如上圖（a）所示。2013年美國NASA提出火星原位資源利用MARCO POLO著陸任務，將綜合利用火星大氣和土壤資源，采用Sabatier和電解水過程產生氫、氧和甲烷燃料。2014年，進一步提出MOXIE載荷，采用固體氧化物電解池（SOXE）系統，在800℃條件下將火星大氣中的二氧化碳還原成氧氣，實現產氧10 g/h，如上圖（b）所示。該載荷計劃在2020年左右進行發射，在火星上將進行約2 h的實驗。如果這一原位資源利用技術被驗證通過，NASA計劃後續研制一個100倍放大的規模化裝置，支持2033年載人火星任務。

總體來看，美國在CO2利用和轉化的太空任務中主要采用工業界比較成熟的高溫（電）化學轉換技術。雖然該技術路線具有較高的成熟度和穩定性，但需要在極高的溫度條件下（900-1600℃）進行，運行條件苛刻，能耗大，不利於載人深空探索的進一步發展。

在航天競爭如此激烈的今天，中國團隊需利用獨特創新優勢，另辟蹊徑才能有更大的突破。

我國科學家鄒志剛團隊，率先將光催化、光電催化技術等創新性地用於人工地外光合成方向，打破了光催化、光電催化無用的常見觀點，具有開辟性。姚穎方副教授作為項目的首席科學家，展現了科研由年輕人承擔重任的亮色。團隊敢想、敢拼、敢走新路，是打破學科限制的聯合軍團，包含多名院士、數位航天總師，涉及來自高校、科研院所、航天等多部門專家學者，體現交叉合作與聯合創新的作戰思想。

不久前，團隊聯合中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室發表綜述文章（Extraterrestrial artificial photosynthetic materials for in-situ resource utilization），提出了地外人工光合成技術可在溫和條件下低能耗的實現H2O/CO2轉換，並有望獲得應用。

地外人工光合成原理和方法

地外人工光合成(如上圖)是模擬地球上綠色植物的自然光合作用，通過光電催化原位，加速、可控地將二氧化碳轉化成為氧氣和含碳燃料的化學過程，是太空探索的核心能力。
它不僅可將人類呼吸產生的二氧化碳轉換為氧氣，實現密閉空間的廢棄資源原位再生，大大降低載人空間站、載人深空飛船的物資供應需求；而且可利用火星等大氣環境中豐富的二氧化碳和水原位資源生產氧氣和燃料，為人類在其他行星的長期生存提供技術支撐。與傳統的CO2轉化利用技術(如熱化學法、電化學法等)相比較，利用太陽能和半導體材料的地外人工光合成技術通常是在常溫常壓下進行，且原料易得，除太陽能等地外能源以外，不耗費其他輔助能源，並可獲得清潔可再生的化學能，因而被認為是太陽能轉換和存儲的綠色化學方法之一。

中國希望通過該項目逐步解決：1. 航天員艙外活動的碳、氧循壞生命支持系統（背包式）；2. 艙內系統；3. 月表、火表的碳、氧循環協同；4.利用月表、火表資源為原料，生命支持系統逐步脫離地球的供應。而這些也是文章開頭那兩家商業太空旅遊公司未解決的技術難題，所以他們在太空停留時間不可能很長。如果中國的技術獲得突破，將來也進行商業開發的話，就會從走馬觀花遊到深度遊，再到旅行社級的景區十日遊。

雖然地外人工光合成的構想是可實現的，但是太空探索活動中面臨低微重力、強輻射、極端溫壓等特殊環境，使太空實現H2O/CO2轉化面臨一系列挑戰。

1. 從材料角度

由於地外特殊環境（如：高能射線、微重力、極端溫度等）對人工光合成材料的設計和制備產生較大影響。需探索和研究適用於地外環境的人工光合成材料。

材料選擇：由於地內外元素種類和含量存在較大差別，地外人工光合成材料有別於現有的體系，需圍繞地外星體土壤可用的少數化學元素，探索可利用地外能源獲得的人工光合成材料體系。這也就是為什麼開頭提到的月壤如此珍貴的原因。

材料合成：受限於地外空間特殊的環境和匱乏的能源與資源，很多常規材料制備技術和方法難以應用於地外材料制備，且地外的微重力環境對材料生長過程產生影響。需研究模擬地外可用礦產和能源資源的人工光合成制備技術和方法，實現適用於地外環境人工光合成材料的可控制備。

人工光合成材料的催化性質受材料的缺陷、表界面狀態、形貌等參數的影響較大，而其受限於地外特殊的環境條件，常規材料微結構調控技術難以適用，因此需要探索適用於地外特殊環境人工光合成材料的調控技術來提高和優化地外人工光合成材料的性能和穩定性。

2. 從反應原理角度

由於材料微結構、地外特殊能量場環境對地外人工光合成材料性能產生極大影響，需從反應原理角度考慮，提高地外人工光合成能量轉換效率。

能帶調控：通過調節材料的能帶結構實現太陽光的寬譜甚至全譜吸收，以及光熱/熱電複合CO2轉換，從而提高地外人工光合成能量轉換效率。

電場調控：研究地外人工光合成材料表界面附近的電場強度，調控電子、空穴分離速率，延長光生載流子複合時間，制備具有特定內建電場的地外人工光合成材料，最大效率利用光生載流子。同時研究外場增強地外人工光合成活性的協同效應和機理，提高太陽能轉換效率。

光生載流子自旋動力學：研究不同鐵磁、反鐵磁以及亞鐵磁材料與半導體材料複合結構，確定具有的特定光合作用過程。通過磁性拓撲結構，囚禁特定自旋的光激發電子、空穴，實現具有反自旋的電子、空穴分離，研究地外人工光合成材料相應催化過程的自旋輸運效應，並探討利用其調節能量轉換效率的途徑。

3. 從催化機理角度

微重力、強紫外、高能射線等模擬地外環境對人工光合成材料晶體結構、電子結構等材料基本物理性能產生影響，從而影響其催化性能。需研究地外人工光合成材料在地外特殊環境下的作用機制，為高效人工光合成體系構建提供關鍵性基礎支撐。

反應體系路徑和步驟：研究地外人工光合成材料在特定模擬地外環境中複雜應用條件下的反應動力學行為。深入研究二氧化碳還原反應過程中反應物的吸附、中間產物的最終產物的產生和脫附機制，揭示二氧化碳還原的反應路徑和步驟，從而發展高活性和高選擇性地外人工光合成體系。

穩定性和失活機理：研究地外特殊環境下地外人工光合成材料的結構變化、失效規律、時間效應、可靠性，根據失效機理探索地外人工光合成材料的再生方法，探索開發可自愈人工光合成材料，為長壽命地外人工光合提供基礎支撐。

4. 從體系角度

地外空間太陽輻射光譜與地球表面有顯著差異，需要建立適用於微重力環境的人工光合成綜合評價標准，並需要構建高效地外人工光合成系統，研制空間實驗裝置，使其得以最終應用。

體系評估標准：太空低微重力影響物質傳輸過程，超高真空、強宇宙輻射、極限低溫環境對地外人工光合成過程有重要影響。針對地外特殊物理化學環境，應建立人工光合成物理化學過程綜合反應評估方法和流程，開展空間環境下的實驗驗證和評價。

體系裝置研發：針對空間環境的不穩定性和複雜性，結合有關約束條件，在保證技術先進性和環境適應性的同時有效降低技術風險，研制可重複使用、通用化、開放性的“自主可控”地外人工光合試驗裝置系統。

針對地外人工光合成面臨諸多挑戰，科學家們依舊不斷探索並攻克，預期從這四個方面各個擊破。

從材料角度：獲得適用於地外環境人工光合成材料的特殊制備方法和調控技術；模擬地外土壤成分，篩選適用於地外環境且具有高活性高選擇性高穩定性的人工光合成材料。

從反應原理角度：闡明地外複雜外場條件下，催化材料內電子/聲子/自選耦合反應作用機制，建立光/熱/電/磁耦合效應與地外人工光合成構效關系模型。

從催化機理角度：闡明地外人工光合成材料失活原理，發展地外人工光合成材料再生方法。

從體系角度：完成地外人工光合成原理驗證系統和環境試驗系統的研制和測試等工作；建立適用於微重力環境的人工光合成綜合評價行業標准或國家標准。

我們相信，在探索星辰大海的偉大事業中，已知的和未知的各項挑戰，都必將被逐個攻克。我們相信，地外人工光合成終將實現，我們離外太空越來越近，外太空終將成為我們新的家園。我們相信，未來商業太空旅行將會是所有夢想仗劍走天涯的人說走就能走的旅行。