随着太空探索的不断进步，大量的时间和金钱在最近正投入到可有效利用太空资源的技术上。而在这些技术研发的最前沿，则是专注于寻求在月球上生产氧气的最佳方式。
2021年10月，澳大利亚航天局（Australian Space Agency）和美国航空航天局（NASA）签署了一项协议，即在阿尔忒弥斯（Artemis）计划中送一辆澳大利亚制造的漫游车登上月球。这辆月球漫游车的目的是收集月球岩石，借助这些特殊的岩石，最终在月球上产出可供呼吸的氧气。
月球虽说是有大气层的，但它非常稀薄，主要由氢气、氖气和氩气组成，对于人类这种依赖氧气维持生命的哺乳动物来说，月球大气并不是“合格”的气体混合物。
实际上，月球拥有充足的氧气，只不过它不是以气体的形式存在，而是被封在了月壤（regolith，又称“风化层”）中，即覆盖月球表面的岩石和细小的尘埃层之中。如果我们能够从月壤中将这些氧气提取出来，得到的量又是否足以支撑人类在月球上生活、工作呢？
藏在矿物质里的氧
在地球上，氧气也存在于很多的地下矿物质之中，而月球上的岩石其实和地球上的相差无几，只是含有稍多一些的流星物质。
硅、铝、铁和镁等元素的氧化物是月壤中的主要矿物，所有这些矿物质都含有氧，但并不是我们的肺可以吸入的形式。
在月球上，这些矿物以多种不同的形式存在，包括覆盖在月球表面的坚硬岩石、尘埃、砾石和石头。千年复千年，陨石不断撞击月球表面，产生了这些岩石和尘埃。
月球的这种表层岩石和尘埃等物质虽被称作“月壤”，但与地球上的土壤仍存在本质上的区别。众所周知，土壤是一种非常神奇的东西，只出现在了地球上，它是由大量生物体用了数百万年在土壤母质（parent material），即由硬质岩石发展而来的风化壳层之上协同创造的。
在最初的原始岩石中，并不存在如今的矿物质基岩。地球的土壤中充满了显着的物理、化学和生物特性；而相比之下，月球表面的物质基本上是原始的、未受影响的风化层。
一种反应物，两种生成物
月壤由大约45%的氧组成，但这些氧元素与上面提到的矿物质紧密结合在一起，为了破开它们之间牢固的纽带，我们需要投入能量。
如果你还记得高中学过的电解反应，或许会更容易理解科学家从月壤中提取氧的原理。在地球上，电解过程通常用于制造业，例如电解法生产金属铝：以氧化铝为溶质，让强大的直流电通过电极后，将铝单质与氧分离开来。
分解前后的月壤模拟物。图片的左侧是一堆反应前的模拟月壤，图片的右侧则是它分离出氧气之后的样子。
在这种情况下，氧气是作为副产物产生的，而在月球上，氧气将成为主要的生成物，而提取的铝或其他金属单质则将是潜在有用的副产物。
欧洲航天局（European Space Agency，ESA）位于荷兰的欧洲空间研究与技术中心（European Space Research and Technology Centre，ESTEC）材料和电气元件实验室（Materials and Electrical Components Laboratory）已经建立了一个月壤制氧厂原型，利用月壤模拟物进行实验制备氧气。
来自英国格拉斯哥大学的ESA研究员亚历山大·默里塞（Alexandre Meurisse）和贝丝·洛马克斯在ESA材料和电气元件实验室内从模拟的月壤中制备氧气和金属单质。
欧洲空间研究与技术中心使用一种被称为熔盐电解法的方法进行氧气提取，他们将模拟月壤放入金属篮中，将熔融的氯化钙盐作为电解质，加热至950°C。在这一温度下，模拟月壤仍保持固体状态，但通过它的电流会让氧气从模拟月壤中分解出来，穿过电解质盐迁移到阳极。
电解的过程非常简单，但其中存在的一个问题是：它非常耗能。为了让这种反应可持续，它须要得到太阳能或其他月球上可用能源的支持。
从月壤中提取氧气也需要大量的工业设备。首先，须要将固态金属氧化物化为液态，通过加热或将其与溶剂或电解质混合加热的方式。在地球上，我们拥有完成这项工作的技术和设备，但如果要把这个设备移到月球上，并产生足够的电力或能量来运行它，将是一个巨大的挑战。
今年早些时候，总部位于比利时的初创公司Space Applications Services宣布正在建造3个实验反应堆，用于改进在月球上用电解法制备氧气的过程。他们希望到2025年能让他们的技术参与ESA的原位资源利用（in-situ resource utilisation，ISRU）任务，登上月球。
月球能提供多少氧气？
那么，如果我们真能设法在月球上提取氧气，月球又能为我们提供多少氧气呢？事实证明：很多。
忽略那些月球更深处硬质岩石材料中存在的氧，只考虑月球表面我们更容易获取的月壤时，科学家通过计算得到了一些估值。
每立方米的月壤平均含有1.4吨矿物质，这其中包含了大约630千克的氧。NASA表示，人类每天须要呼吸大约800克氧气才能维持生存。那么，630千克的氧可以让一个人活上大约两年的时间。
现在，让我们假设月壤的平均深度约为10米，并且我们能提取出其中所有的氧。这意味着，月球最表层的10米就能提供足够多的氧气，支撑地球上所有80亿人大约生存10万年的时间。
月球基地中人类活动的艺术概念图。
当然，这也取决于我们有效提取和利用氧气的方式，但无论如何，这个数字还是相当惊人的！
话说回来，即使月球上拥有可观的氧含量，我们在地球上生存繁衍得仍非常之好，我们应该尽一切努力保护这颗蓝色的星球，尤其是它的土壤，在我们什么也不做的情况下，它一直支撑着所有陆地生命的繁荣发展。
[1] https://theconversation.com/the-moons-top-layer-alone-has-enough-oxygen-to-sustain-8-billion-people-for-100-000-years-170013
[2] https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_opens_oxygen_plant_making_air_out_of_moondust
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