要上太空种地了？人工光合作用试验为啥要在太空做？

2025-01-21 10:32:00 来源：中国科技网

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随着人类探索太空的脚步迈得越来越大，在月球上，甚至在火星上驻留并建设基地成为可能。想在月球上居住和旅行，水、氧气等生存资源和交通工具就不可或缺了。而如果能在月球能就地取材，为人类提供生存的资源，那星际旅行的愿望或许就不再遥远。

近日，在中国空间站梦天实验舱航天基础试验机柜其中一个“太空抽屉”里，地外人工光合作用技术试验顺利展开，成功实现了高效二氧化碳转换和氧气再生新技术的国际首次在轨验证。

地外人工光合作用怎样实现？

光合作用在地球上并不是新鲜事，它是植物、藻类和某些细菌在可见光的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。

那么，什么是人工光合作用？国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光解释说，科学家发现半导体催化剂在光照射下可实现水的分解和二氧化碳转换，并将其称为“人工光合作用”。“人工光合作用”与绿色植物的光合作用有相似之处：第一，都是将太阳能转换成为化学能；第二，反应原料都是水和二氧化碳，产物是氧气和含碳化合物。

国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光：在天宫空间站上进行的人工光合作用，这次产生的有机物是乙烯，这是一个广义的光合作用。

2015年，我国科研人员提出在地外开展原位资源利用的“地外人工光合作用”概念并开展研究。“地外人工光合作用”是在地外通过物理化学方法利用太阳能将二氧化碳和水原位转化成氧气和含碳化合物。这一技术正是人类走向更深远的太空的基础：

国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光：未来人类在月球和火星建立基地，最核心的一个问题就是要实现低成本可持续的基地长期运营。这里有两方面的问题，一是要实现低成本的人员和货物的往返运输系统，另外一个是实现基地物资基本能够自给自足。

也就是说，如果人类的脚步再次踏入月球，甚至到达更遥远的火星和小行星，如何实现“摆脱地球资源供给”是人类长期地外生存的主要挑战之一。那么，“我们有可能在另一个星球上长期居住吗？”这一问题目前已成为全球最前沿的125个科学问题之一。中国航天科技集团郭佩介绍，利用星壤资源或火星大气中的二氧化碳资源，原位制备氧气和燃料，是实现地外原位资源利用并摆脱地球资源供给的重要手段。

中国航天科技集团郭佩：地外人工光合作用技术有望作为未来地外原位资源利用的重要技术之一，为我国载人深空探测重大任务提供关键技术支撑。

在国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光看来，目前我们在中国空间站进行的这项试验，就是在为未来做准备。

国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光：火星的大气中有丰富的二氧化碳，而且目前无论是在月球还是在火星，人类都已经找到了水的存在，利用火星的二氧化碳和水能不能制造其他的物资？美国的毅力号火星车已经利用火星大气中的二氧化碳进行了制氧实验，只不过产物是氧气和一氧化碳，那能不能像地球上的植物一样利用水和二氧化碳产生有机物呢？目前来看，无论是利用生物方法，还是物理化学的方法，这肯定是可行的。

据介绍，相比于常用的高温、高压二氧化碳还原技术，地外人工光合作用可以在常温、常压条件下实现二氧化碳还原和产氧；还能够实现太阳能到化学能、太阳能到电能再到化学能、太阳能到热能再到化学能等多种能量转换方式，有效提高能量的利用效率。

中国航天科技集团郭佩：通过改变反应的催化剂，可以定制化地获得地外人工光合作用的不同二氧化碳还原产物，包括可作为推进剂的甲烷或乙烯、可作为合成糖类的重要原料甲酸等，对未来地外长期生存和原位资源利用有重要价值和意义。

特别值得一提的是，地外人工光合作用技术试验装置虽然只是航天基础试验机柜其中一个“太空抽屉”，但是功能却很强大。

中国航天科技集团郭佩：它不仅能够在轨通过“人工光合作用”制备氧气和含碳燃料，还能够实现对反应过程的监测和产物的在线分析，并获得大量微重力环境下气、液、固多相物理化学过程试验数据，为科学研究和技术发展提供重要基础。另外，这个“太空抽屉”还具备在轨“升级”能力，通过在轨更换模块操作，可验证不同种类的反应，实现技术快速迭代。

郭佩透露，目前，地外人工光合作用技术试验装置已经完成了第一、二阶段共12次在轨试验，国际上首次实现了基于地外人工光合作用技术的二氧化碳转换和氧气再生，获得了氧气和二氧化碳还原产物乙烯。

中国航天科技集团郭佩：阶段试验成功验证了常温二氧化碳催化转化，微重力下固、液、气多相反应界面上气体输运与分离，空间高精度气体和液体流量控制，以及氧气和二氧化碳还原产物高灵敏度在线检测等关键技术。试验获得了大量微重力下的多相物理化学反应过程试验数据，为发展地外原位资源利用新技术提供了重要基础。