当我们畅想未来的月球基地，脑海中浮现的画面往往是巨大的透明穹顶、忙碌的宇航员以及窗外荒凉的灰暗景色。在这个宏大愿景中，有一个最基础也最棘手的问题始终横亘在工程师面前：人类赖以生存的氧气从哪里来？

在地球上，呼吸是再平常不过的事情。但在距离我们三十八万公里的月球表面，那里几乎是真空，没有大气层可供呼吸。传统的航天任务依赖于从地球携带氧气罐。这种方法对于短期的阿波罗登月任务来说是可行的，但对于建立长期驻留的月球科考站甚至移民点来说，其成本高昂得令人咋舌。将一公斤物资送上月球的费用堪比同等重量的黄金，如果每一口呼吸都要依赖地球补给，星际殖民就永远是个昂贵的梦想。

航天界为了打破这个瓶颈，提出了一个核心战略，那就是原位资源利用。简单来说，就是“靠山吃山，靠水吃水”，利用外星球本地的资源来维持生存和生产。对于月球而言，目前最紧迫的任务就是：我们能不能在月球上就地制造氧气？

答案是肯定的，而且原料就在宇航员的脚下。

乍看之下，月球表面覆盖着厚厚的、灰扑扑的尘埃和岩石碎屑，被称为月壤，这里面似乎不可能藏有气体。确实，月壤中没有游离态的氧气分子。这里储存氧气的方式，与地球岩石圈类似，是以化合物的形式存在的。

科学家通过对阿波罗任务带回的月球样本以及后续探测器数据的详尽分析，得到了一个令人振奋的结论：月壤中含有极其丰富的氧元素。事实上，氧是月壤中质量占比最高的元素。月球岩石和尘埃主要由各种矿物质组成，比如二氧化硅、氧化铝、氧化铁和氧化镁等。在这些矿物晶体结构里，氧原子被紧紧地锁在金属或非金属原子之间。根据权威的地质化学分析，平均来看，月壤重量的大约百分之四十五都是氧。

也就是说，如果我们随手抓起一把月球上的土，手里将近一半的重量其实都是氧原子。月球表面就是一个巨大的、尚未开封的氧气仓库。

知道了原料在哪，接下来的挑战就是如何把氧原子从坚固的化学键中“解放”出来。这并非易事，需要输入巨大的能量才能打破这些化学键。目前，全球的航天机构和科研团队正在测试几种极具潜力的技术路线。

其中一种最直接、也最“暴力”的方法被称为熔融风化层电解法。想象一下，我们把月壤铲进一个特制的耐高温容器里，然后利用太阳能或其他能源将其加热到一千六百摄氏度以上。在这个极端的温度下，固体的岩石会融化成炙热的岩浆。随后，我们向这锅“岩浆汤”中通入电流。在电场的作用下，原本结合在一起的金属离子和氧离子会“分道扬镳”，氧离子移动到阳极并结合成氧气气泡冒出来，而铁、铝等金属则会沉积在阴极。

这种方法的优点是原料利用率极高，几乎能榨干月壤里所有的氧气，同时还能副产出有用的金属建筑材料。欧洲航天局在荷兰的材料与电气组件实验室就已经成功建立了一个原型装置，利用模拟月壤演示了这一过程。虽然目前是在地球实验室的受控环境下进行的，但它有力地证明了这一原理的可行性。

另一种稍微温和一些的方法是利用氢气或甲烷作为还原剂，在高温下与月壤中的含铁矿物发生反应。比如，将月壤加热到一千摄氏度左右并通入氢气，氢气会“抢走”矿物中的氧，生成水蒸气。接下来就变得很简单了，我们只需要电解这些水蒸气，就能得到纯净的氧气和氢气，而氢气还可以循环回到系统中继续使用。

这种技术在地球的冶金工业中有着成熟的应用背景，NASA和其他商业公司都在积极推进其在月球环境下的适应性改造。

当然，从实验室的成功到在月球表面建立一座真正运行的“制氧厂”，中间还隔着巨大的工程鸿沟。月球环境极其恶劣，设备需要经受住两周极热和两周极冷的剧烈温度循环，需要防范无孔不入且锋利无比的月尘磨损机器，还需要在几乎无人维护的情况下长期稳定运行。此外，无论是加热岩石还是电解过程，都需要巨大的能量供应，这就要求我们必须在月球建立高效可靠的能源系统，比如大规模的太阳能阵列或小型核反应堆。

既然困难重重，为什么我们非要执着于在月球制氧？

除了供宇航员呼吸这一显而易见的需求外，更重要的战略意义在于为火箭提供燃料。在现代化学火箭的推进剂组合中，液氧通常占据了绝大部分重量作为氧化剂。如果未来的月球飞船可以在月球表面加注本地生产的液氧，那么它们从地球起飞时就可以少带大量燃料，从而携带更多的有效载荷，或者飞往更远的深空目的地，比如火星。

从这个意义上说，月球制氧技术不仅是人类在月球长期生存的生命线，更是通往深空的一把关键钥匙。随着技术的不断成熟和未来探月任务的实施，那个曾经只存在于科幻小说中的场景——机器轰鸣，从灰色的月岩中源源不断地提取出生命之气——或许在不远的将来就会成为现实。

来源: 张天缘的科普号