一项简单的在轨测试展现自主太空飞行的可能
中国宣称在太空资源生产领域实现了首次突破。在天宫空间站，神舟十九号乘组使用一台小型人工光合作用装置，将二氧化碳和水转化为两种必需物质：可供呼吸的氧气，以及可用于生产火箭推进剂的烃类乙烯。这项演示通过一台抽屉式装置完成了12次受控试验，表明地球上植物进行的核心化学过程可以经过工程设计，在轨运行。
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这项成果的突出之处，不仅在于产物本身，也在于实现它的条件。该系统在室温和标准压力下运行，而许多化工厂需要极端条件。在微重力环境中，航天员还实现了对气体和液体流动的精确控制；由于气泡不会上升、液体不会沉降，这一直是已知难题。团队实时记录了产物，确认生成了氧气和烃类物质。
这项技术自2015年起在中国研发。如今看到它在太空中运行，是任何旨在减少持续补给需求的载人航天计划的重要里程碑。如果航天器能在飞行途中制造空气和燃料，任务就能减轻负担、提高安全性，也更灵活。同一套技术也可用于月球或火星前哨站，那里的水和二氧化碳以冰冻或大气形式存在。
官方表示，通过更换催化剂，该系统可以调整为生产不同产物，包括甲烷和甲酸。甲烷已是备受青睐的火箭燃料；甲酸则可作为更复杂化学过程的原料，包括食品生产研究中合成糖的相关步骤。这种灵活性展现出一种前景：同一台设备可承担多项任务，从生命保障到推进剂供应。
系统如何工作
人工光合作用仿照植物的原理，但使用的是工程材料，而非树叶。简单来说，这一过程分为两个部分。一部分将水分解为氧气，并将O2送入舱内。另一部分则利用电子和氢处理二氧化碳，合成乙烯、甲烷或甲酸盐等分子。能量来自太阳能电池板转化的阳光，或直接激活装置内半导体催化剂的光。
浅显解读其中的化学过程
在天宫装置内部，半导体催化剂提供了二氧化碳和水发生相互作用的表面。能量输入后，催化剂会促使原子重新排列。水释放出氧和氢，二氧化碳则提供碳。根据催化剂的不同，碳原子会以不同方式结合。铜基催化剂通常会将碳原子连接起来，形成乙烯。其他材料则更有利于生成甲烷或一氧化碳。工程师会根据所需产物选择催化剂。
搭载于天宫的装置似乎采用了室温反应路径，无需高压储罐或高温。这降低了功率需求，而在必须精打细算使用每一瓦电力的航天器上，这一点至关重要。它也更容易与空气管理系统集成，因为氧气可以在舱内压力下输送，烃类则可储存起来，或输送到后续处理设备，无需使用笨重的压缩机。
天宫乘组具体开展了哪些工作
神舟十九号乘组于2024年10月下旬开始执行任务，在一个抽屉式模块内开展了12次实验。装置内装有催化剂、流体通道和传感器，用于管理涉及气体、液体和固体的三相反应。团队验证了氧气产出，并测量了乙烯的生成情况。乙烯是推进技术研究的一种关键目标产物。
一项核心挑战是在微重力环境下控制流体。在地球上，气体和液体会自然分离；进入轨道后，表面张力则占主导。天宫设备配备了通道、膜和流量控制装置，使反应物与催化剂保持接触，同时将产物移走，让反应得以持续。实验记录了气体流动和分离情况，为未来设计提供参考。
为什么微重力环境下的流体处理很重要
如果气泡附着在催化剂上，产出就会下降。如果液体无法均匀抵达反应表面，就会形成热点或干燥区域。精确的流量控制，决定了一项技术究竟只是实验室中的概念验证，还是能产出可供储罐使用的物质。天宫收集的数据为工程师提供了放大这一工艺所需的依据。
这次试验进一步丰富了空间站测试成果。这些测试旨在探究日常过程在失重环境下会如何变化。天宫此前开展的工作包括种植生菜和番茄，甚至还点燃过一根火柴，以研究火焰特性。这些研究积累了在地球之外运行工厂和农场所需的实用知识。
对生命保障和推进系统的意义
任何无需用火箭从地球发射的物资，都能节省成本、降低风险。氧气就是一个典型例子。国际空间站通过太阳能电池阵列供电的电解装置分解水来制取氧气。研究估计，氧气生产约占空间站生命保障系统能耗的三分之一。这种方法行之有效，但耗电量较高，而且系统仍需定期补充水和消耗品。
人工光合作用开辟了另一条路径。它可以将航天员呼出的二氧化碳重新转化为氧气，同时在同一台设备中合成烃类分子作为燃料。反应可在室温和舱内压力下进行，从而降低电力需求。能够自行生产氧气和推进剂的空间站或基地，可以延长补给间隔，并将更多电力留给科学研究和运行任务。
可生产的多种产物也很有价值。在许多现代发动机中，甲烷都可与液氧搭配使用，包括那些旨在实现重复使用的发动机设计。甲酸能够以化学方式储存氢气，以供后续使用。乙烯可以直接燃烧，也可进一步提炼成其他燃料和材料。一套能将废弃碳转化为有用分子的系统，可以提高空间站每升水和每瓦太阳能的利用价值。
乙烯能否为真正的航天器提供燃料
乙烯是一种简单的烃类分子，含有两个碳原子。它容易与液氧燃烧，可用作发动机或推进器的燃料。乙烯已用于研究型发动机和试飞。其性能取决于发动机设计，但它与甲烷、丙烷属于同一类燃料。在轨生产乙烯的优势在于，使用铜基催化剂还原二氧化碳时，可以直接得到乙烯。
这种燃料也存在取舍。乙烯在室温下呈气态，因此需要压缩或冷却才能储存。许多任务更倾向于使用甲烷，因为它更便于在低温下与液氧一同处理。乙烯也可以作为原料，经过进一步处理后转化为液体或塑料，用于制造。天宫实验表明，团队能够以乙烯为目标产物；但未来任务也可能根据具体用途调整催化剂，使其更多生成甲烷或甲酸盐。
推进剂的选择只是整个问题的一部分。几乎所有化学火箭的推进剂组合中，氧气都是质量较大的一方。任何能在太空中低成本制氧的装置，都能减少必须从地球发射的质量。即使最初仍需从地球运送烃类燃料，由空间站就地供应氧气，也能显著改善任务的运载计算。
从空间站走向月球
中国已公开设定目标，计划在2030年前实现载人登月，并于2030年代初至中期建成国际月球科研站。2024年的报道提到，计划使用机器人组装一座小型核反应堆，为该基地供电。电力只是其中一环。下一步是建立不依赖货运飞行的空气和燃料供应。天宫试验被视为实现这一目标的基础。
未来的轨道补给链
另一项关键能力是在轨运输和共享推进剂。2025年1月，中国发射了实践二十五号卫星，以测试在轨加注技术。与空间站生产相结合，加注测试展现出一条补给链：一个平台生产燃料组分，另一个平台将其配送给卫星或转移飞行器。一种可行的配置可能是这样的：载人或机器人平台利用人工光合作用将二氧化碳和水转化为氧气和甲烷；加油卫星与其交会，收集推进剂并运送给需要提升轨道的航天器。在月球表面，类似装置可为栖息舱供应氧气，并储存甲烷以供发射返回轨道。各个地点都可以利用当地太阳能或核能驱动化学反应。
接下来需要做什么
天宫装置目前只是概念验证，还不是一座工厂。要为乘组提供支持或为航天器加注燃料，产量必须提升几个数量级。这需要扩大反应面积、改进热管理，并开发数月内不易失活的催化剂。太空辐射和温度波动可能使材料性能下降。工程师需要测试设备的使用寿命，并设法在不发射笨重硬件的情况下更换零件。
分离和储存同样困难。氧气必须达到较高纯度，才能用于呼吸和发动机。烃类必须与副产物分离，并安全地压缩或液化。在航天器内部处理氧气和燃料会增加火灾风险，设计人员必须通过阀门、传感器和严格隔离来降低风险。这些挑战都不是不可克服的，但需要谨慎设计并反复测试。
与生命保障循环的集成情况，将决定该技术能带来多大实际收益。在国际空间站，电解装置与另一套反应系统配合，将二氧化碳和氢气转化为水和甲烷，从而实现部分闭环。未来空间站可以在不同路径之间进行选择，也可以混合使用。最佳设计可能会从空气中捕集二氧化碳，持续制氧，并在电力富余时将燃料产物输送至储罐。日常使用还离不开自动化运行。
这项技术在全球相关工作中的位置
在地球之外生产资源，是各国航天机构共同关注的方向。美国国家航空航天局在“毅力号”火星车上搭载了MOXIE实验装置，从火星大气中提取氧气，证明小型设备可以在火星上制氧。欧洲航天局和许多实验室正在研究利用阳光或电力转化二氧化碳的光催化剂。私营企业则在设计与就地生产的氧气配套使用的甲烷发动机。这些项目的思路相同：利用当地资源，减少发射质量。
此前，大多数在轨生命保障测试都侧重于植物生长、生物学和电解。天宫此次试验是首个有关报告，称一种二氧化碳还原系统在室温和标准压力下于轨道中生成了烃类和氧气。这一步将生命保障与推进剂供应整合进同一台设备，也提高了未来平台的尝试目标，无论是在近地轨道、地月空间还是月球表面。
竞争可以加快进展。随着中国规划建设月球基地和执行深空任务，中国将希望扩大这项技术的规模。美国、欧洲、日本等也在积极推进原位资源利用计划，可能很快会开展各自的演示任务。对工程师而言，真正重要的是打造能连续运行数月、无需频繁维护的实用设备。
要点
- 神舟十九号航天员在天宫空间站开展了12次人工光合作用实验。
- 该装置在室温和标准压力下将二氧化碳和水转化为氧气和乙烯。
- 试验验证了微重力环境下的流体控制和实时检测能力。
- 通过更换催化剂，该系统可以针对不同用途生产甲烷或甲酸。
- 与国际空间站的水电解相比，该方法旨在降低电力需求。
- 乙烯可用作推进剂，也可作为生产其他燃料和材料的原料。
- 中国正将轨道生产与在轨加注测试相结合，并计划在2030年前实现载人登月。
- 未来的主要挑战包括扩大产量、确保长期稳定运行，以及安全储存和处理产物。
