姚颖方/邹志刚院士团队与中国空间技术研究院合作提出“面向原位资源利用的地外人工光合成材料”

▲共同第一作者：杨柳青、张策、余习文；

共同通讯作者：姚颖方、姚伟、邹志刚；

姚颖方副教授、邹志刚院士团队联合中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室发表综述文章，首次提出支撑可承受、可持续载人深空探索的地外人工光合成可行的概念与方法。太空探索已成为人类共同目标，重返月球、载人火星等人类历史上的重大里程碑任务已逐步实施。如何实现地外极端环境下人类生存和发展已成为载人太空探索的基本能力和基础技术。由南京大学和中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室（下称“钱学森实验室”）提出的地外人工光合成技术，模拟地球绿色植物的自然光合作用，利用密闭空间废弃资源或地外天体环境中丰富的资源，通过光电催化方法原位、加速、可控地将二氧化碳转化成为氧气和含碳燃料，大幅度降低载人航天器的物资供应需求，支撑可承受、可持续的载人深空探索。该文章回顾了近年来国际航空航天领域利用二氧化碳转换生成氧气和碳氢燃料的方法，着重介绍了地外极端环境对人工光合成的负面影响及其可能的解决方案，深入探讨了目前可在地外实施的人工光合成技术及核心材料研究进展，期望深化对地外人工光合成材料与技术的认知，有力支撑载人航天发展。

▲图1 地外人工光合成原理与方法

地外生存作为太空探索的核心技术之一，是人类实现长期太空飞行（地球和月球轨道任务、地火长期飞行任务）、地外长期居住和地外移民（月球和火星基地）的基本能力。人类脱离地球，开展太空探索的活动中，必须具备氧气、燃料和营养的长期持续供应能力。将人类呼吸产生的二氧化碳转换为氧气，实现密闭空间的废弃原位资源再生循环，可大大降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求。同时进一步利用火星等地外大气环境丰富二氧化碳和水原位资源生产氧气和燃料，可满足人类在其他天体上长期生存和深空往返推进运输的物质供给，是支撑可承受、可持续的载人深空探索任务的重要基础。因此，H₂O/CO₂原位转换有望在解决上述问题中发挥重要作用。由20世纪60年代发展至今，Sabatier法与Bosch还原法是CO₂还原技术比较主流的方式，H₂O电解法也已得到广泛应用。例如，近期美国航天总局（NASA）毅力号采用的“MOXIE”通过高温电化学法已成功在火星上把火星大气中二氧化碳成功转化为氧气。近年来，随着光电催化技术的快速发展，由南京大学和钱学森实验室提出的地外人工光合成技术，相较于“MOXIE”等系统，可在温和条件下低能耗地实现H₂O/CO₂转换，有望获得应用。

面对全球探索共同目标和我国航天强国建设重大任务，如何使人类具备“脱离地球的生存能力”，真正实现可承受、可持续的太空探索，面临极限条件下H₂O/CO₂转换的重大挑战，也将迎来地外人工光合成前沿方向的发展。由于地球大气层的作用，地外空间太阳辐射光谱与地球表面有显著差异；由于围绕太阳的公转半径区别较大，不同天体受到的太阳辐射强度差别很大；太空低微重力影响传递和输运过程，极限真空、低温和强宇宙辐射环境对转化过程有重要影响。极限条件下H₂O/CO₂转换和地外人工光合成面临着一系列重大科学问题。例如：

1）基于月球、火星等星壤的地外人工光合成材料的原位制备科学；

2）适应太空条件下太阳辐射光谱和高辐照强度的新型光催化材料体系；

3）低/微重力下光催化物理化学过程耦合机制；

4）太阳能全谱利用的光、热、电耦合催化机理；

5）基于地外超高真空、极端温度以及微弱重力环境的地外人工光合成系统搭建和应用。

在绿色可持续发展的推动下，人工光合成技术得到快速发展。在太空探索活动中，通过地外人工光合成在常温下实现将原位获取的H₂O/CO₂转换为人类地外生存所需的基本物资，将成为太空探索的核心能力。南京大学与钱学森实验室联合提出地外人工光合成概念并率先开展地外人工光合成材料与装置的研制和空间实验，将大大推动该领域的发展。地外人工光合成也有望成为新能源领域的新兴学科方向和前沿研究方向。

该综述文章于2021年6月14日以“Extraterrestrial artificial photosynthetic materials for in-situ resource utilization”为题发表于综合性学术期刊《National Science Review》（https://doi.org/10.1093/nsr/nwab104），南京大学物理学院博士后杨柳青、钱学森实验室特聘研究员张策、南京大学现代工程与应用科学学院博士生余习文为论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院副教授姚颖方、钱学森实验室首席研究员姚伟、南京大学物理学院邹志刚院士为论文通讯作者，论文获得邹志刚院士的精心指导，以及“变革性技术关键科学问题”国家重点研发计划（2020YFA0710300）、国家自然科学基金、江苏省基金、中央高校基本科研业务费专项基金等项目资助。