地外人工光合作用——未来太空生存的关键技术

【导语】在自然界中，“光合作用”是维系地球生态平衡的基石。而今，科学家们正将这一神奇过程延伸至太空，探索“地外人工光合作用”的奥秘。在中国空间站的梦天实验舱，一项国际首次的在轨验证已成功实施，标志着人类在利用太空资源方面迈出了重要一步。地外人工光合作用不仅模拟了植物的光合作用机制，更旨在为人类深空探索提供生命支持系统。从二氧化碳到氧气，从太空燃料到生命维持，这一技术正引领我们迈向更加浩瀚的宇宙探索之旅。

在课本里、视频中，常常能见到“光合作用”这个名词，想必你早已耳熟能详了。那么，今天咱们来聊聊一个有点神秘又特别有意(yì)思的“新朋友”——“地外人工光合作用”。它与“光合作用”呀，有着千丝万缕的联系，却也有各自的独特之处，让我们一起探究一下吧！

地外人工光合作用技术试验装置在轨更换模块

在中国空间站的梦天实验舱，航天基础试验机柜中的一个“太空抽屉”成为了地外人工光合作用研究的“实验室”。高效二氧化碳转换和氧气再生这两项新技术，在这个独特的“实验室”里，顺利完成了国际上的首次在轨验证。

地外人工光合作用是什么

“光合作用”是指绿色植物利用太阳的光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放氧气的过程。这个过程不仅是地球上最重要的能量转换和物质循环机制，还能像一位“气候调节师”一样，维持全球气候的稳定和生物多样性的繁荣。而“地外人工光合作用”则是科学家们从大自然中汲取灵感，在太空或其他星球上打造的“能量工厂”，通过模拟植物在地球上的光合作用，利用物理化学方法将太阳能转化为“太空燃料”，把二氧化碳和水变成氧气和含碳化合物。为人类在太空中生存和探索提供“生命支持系统”。

地外人工光合作用（示意图）

无论是光合作用，亦或是地外人工光合作用，它们都能将太阳的光能巧妙地转化为化学能，储存在有机物中，为生命活动提供动力。两者的“配方”也几乎一模一样，都以水和二氧化碳为原料，经过一系列“化学反应魔法”，最终生成氧气和含碳化合物。

飞行器在进行太空探索时也会携带物资，为什么还需要额外的转化技术呢？

地外人工光合作用助力深空探索

即使飞行器在进行深空探索时携带了物资和消耗品（如氧气、燃料）它们也是有限的，深空探索任务周期长、环境封闭，需建立物质循环再生系统以维持长期生存。相较传统物资储备模式，这种转化技术兼具资源利用效率高、系统质量负荷低、环境适应性强等优势，是深空驻留与行星开发的战略性技术(shù)路径。

为(wèi)了(le)解(jiě)决(jué)空(kōng)间(jiān)站(zhàn)和(hé)深空探索的供求关系，其他国家也做过类似探索。

回溯历史，自20世纪60年代起，人们就一直在探索二氧化碳转换技术的有效方法，在这一漫长的发展历程中，逐渐涌现出了不少经典的转换方式，像Sabatier法、高温电化学法，还有H2O电解法等。Sabatier法是一种通过催化反应将二氧化碳（CO2）与氢气（H2）转化为甲烷（CH4）和水（H2O）的技术；二氧化碳还原高温电化学法是一种通过电化学手段在高温条件下将二氧化碳（CO2）转化为高附加值化学品或燃料的技术；而H2O电解法则是利用电解水产生的活性氢（H+或H2）与二氧化碳（CO2）发生反应，生成碳氢化合物(wù)或(huò)其(qí)他(tā)化(huà)学(xué)品(pǐn)。通(tōng)过(guò)将(jiāng)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)转(zhuǎn)化(huà)成(chéng)为(wèi)氧(yǎng)气(qì)和(hé)含(hán)碳(tàn)燃(rán)料(liào)的(de)方(fāng)式(shì)，将(jiāng)大(dà)幅(fú)度(dù)降(jiàng)低(dī)载(zài)人(rén)航(háng)天(tiān)器(qì)的(de)物(wù)资(zī)供(gōng)应(yīng)需(xū)求(qiú)。

毅(yì)力(lì)号(hào)火(huǒ)星(xīng)车(chē)

例(lì)如(rú)，美(měi)国(guó)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)局(jú)（NASA）的(de)毅(yì)力(lì)号(hào)火(huǒ)星(xīng)车(chē)上(shàng)配(pèi)备(bèi)的(de)“MOXIE”系(xì)统(tǒng)就(jiù)运(yùn)用(yòng)了(le)高(gāo)温(wēn)电(diàn)化(huà)学(xué)法。在火星(xīng)上(shàng)，它(tā)成(chéng)功(gōng)地(de)把(bǎ)火(huǒ)星(xīng)大(dà)气(qì)里(lǐ)的(de)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)转(zhuǎn)化(huà)成(chéng)了(le)氧(yǎng)气(qì)和(hé)一(yī)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)。这(zhè)无(wú)疑(yí)是(shì)人(rén)类(lèi)地(de)外(wài)资(zī)源(yuán)利(lì)用(yòng)探(tàn)索(suǒ)路上(shàng)的(de)亮(liàng)眼(yǎn)成(chéng)果(guǒ)。俄(é)罗(luō)斯(sī)也有同样宏大的计划，比如其规划的Lunar勘探项目，预计在2025年推出名为Moon27的登陆器，以实现对月球资源的利用。

地外人工光合作用的优势

相较于热化学法、电化学法等传统二氧化碳转化技术，地外人工光合作用的核心优势在于以太阳能为主要驱动力。其反应所需的二氧化碳与水在地外环境中（如火星大气、月壤或小(xiǎo)行(xíng)星(xīng)冰(bīng)层(céng)）广(guǎng)泛(fàn)存在，且(qiě)反(fǎn)应(yīng)条(tiáo)件相对(duì)温(wēn)和(hé)（常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)），理(lǐ)论(lùn)上(shàng)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)材(cái)料(liào)催(cuī)化(huà)将(jiāng)太(tài)阳(yáng)能(néng)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)可(kě)储(chǔ)存(cún)的(de)甲(jiǎ)烷(wán)等(děng)碳(tàn)基(jī)燃(rán)料(liào)。目(mù)前(qián)该(gāi)技(jì)术(shù)尚处于实验室研究阶段，但其特性使其可能成为未来地外资源利用的技术方向之一。

从应用潜力分析，该技术通过模拟植物光合作用的部分机制，尝试将密闭环境中的人类代谢废气（二氧化碳）与地外水冰资源转化为氧气和燃料。在载人航天场景中，若技术成熟，可能降低氧气补给的部分需求；在行星探测任务中，则可能利用地外资源生产推进剂或生命维持物资。不过，现有研究仍面临着催化剂效率、系统稳定性、太空环境适应性等多重挑战。

各国在二氧化碳转换技术以及地外资源利用方面的不断探索，正一步步汇聚成推动人类迈向更深远宇宙的强大力量，推动我们朝着更为浩瀚、更为深远的宇宙不断迈进。

部分信息来源于：央视新闻、科学网、中关村商业航天产业联盟等

（科学性审核：郑永春博士，空间科学传播专家工作室）

责任编辑：刘海华