如何在外星建造人类家园？“就地资源利用”刺激创新
据国外媒体报道，人类即将重返月球，而这一次，我们可能会建立长期的月球基地。然而，在长期的太空任务中，宇航员们的生活和工作都需要必要的基础设施，他们还需要展开实地探索活动，与地球保持联系，同时生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上携带所有这些基础设施需要付出极为昂贵的代价，因此，更合理的方案是就地获取材料并进行建造。为了探索这种可能性，欧洲空间局(ESA)的“探索与准备”(Discovery & Preparation)计划已经为多个研究项目提供了支持。
使用其他天体上的材料建造基础设施和生产设施的解决方案被称为“就地资源利用”(ISRU)。以往在这一领域的研究已经探索并展示了ISRU的基本概念，主要结合了勘探现场发现的资源与从地球带来的材料。
想要建立一个能够保护宇航员免受恶劣环境——包括稀薄或不存在的大气、极端温度、强辐射甚至微流星体等——影响的地外家园，ISRU就是必需的。通过利用就地资源，我们将能够在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的发射和着陆平台。ISRU也可以用来生产能够产生并储存能量的发电设备，以及用于通信的天线塔。此外，ISRU还可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造出可供外星探索和最终返回地球的推进剂。
1999年，第一个与ISRU相关的“探索与准备”研究项目重点关注了推进和动力系统，并评估了本世纪对先进推进技术的需求。这项研究的结论是，ISRU可以降低火星任务的成本，同时提高推进性能，但ISRU技术的研究和开发应该马上开始。
因此，在欧空局其他所有项目的配合下，ISRU的相关研究继续进行。2000年完成的一项研究侧重于未来太空探索所需的动力系统，包括设计一座ISRU化工厂，以生产推进剂和生命维持所需的化学品，以及外星表面活动所需的燃料。
同时进行的其他研究则更广泛地关注长期的太空探索，其中一项研究考虑了火星探索需要什么样的架构和技术。该研究探索了利用火星大气和土壤来生产推进剂和宇航员生存所需液体——包括氮、氧、氢和水——的可能性。另一项研究关注的是人类在长期星际和行星环境中的生存能力和适应性，发现ISRU在生产推进剂和生命维持消耗品方面可能有着重要的作用。
13年时间很快过去，随着技术的发展，研究人员已经能够探索更加具体的ISRU概念，包括一个从火星大气中收集、储存二氧化碳并将其输送到推进器的系统。这项由空中客车公司进行的研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将二氧化碳液化储存。
在过去的几年里，“探索与准备”计划还支持了诸多研究，比如利用月球土壤建造基础设施，以及更具体的能源生产和储存方法;最近的一项研究探索了如何利用月壤储存热量，并为宇航员、漫游车和着陆器提供电力。
一项研究探索了月球模拟设施如何支持ISRU技术的发展，包括对就地材料的挖掘和加工方法进行测试，以及如何利用3D打印等工艺将这些材料用于建造结构。
另一项研究证实了月壤作为建筑材料的可行性。研究人员选择了一种利用月壤打印结构的合适工艺，甚至设计了一个可打印的居住地。还有一项研究最近更进一步，探索了如何利用月球风化层进行3D打印，甚至确定了效果最好的打印工艺。
作为现有3D打印技术的替代方案，2019年的一项研究试图将月壤转化为纤维，用于建造坚固的结构。研究人员制作了一份材料样本，证明用这种方法制造局部不透水的结构是可能的。
最近，“探索与准备”计划资助的一组研究探索并定义了欧空局的月球IRSU示范任务，该任务的目标是到2025年时，证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探索了实际能生产水和氧气的系统，提出了一个使用“碳热反应堆”从土壤中提取氧气并用其来生产水的方案。另外两项研究分别探索了该系统如何依靠着陆器作为电源，以及它如何与地球通信。
为了实施月球ISRU示范任务，欧空局打算从商业机构采购任务赋能服务，包括有效载荷交付、通信和操作服务等。在这一过程中，欧空局将利用并进一步培育现有的商业方案，这些方案可能在未来的月球探索场景中得到广泛应用。
欧空局目前还在进行“PROSPECT”任务，该任务将探访并评估月球上的潜在资源，为未来可能用于开采这些资源的技术做准备。PROSPECT将在月球南极附近的月表下进行钻探，提取可能含有水冰和其他可能在极低温度下冻结的化学物质的样本。然后，钻头将把样本送到一个化学实验室，在那里对样本进行加热，以提取化学物质。这次任务将作为俄罗斯领导的“月球-27”(Luna-27)任务的一部分，并将测试未来可能应用于地外资源开采的过程。
2019年5月，欧空局发布了“空间资源战略”(Space Resources Strategy)，以支持到2040年利用就地资源维持人类在月球上存在的雄心。该战略着眼于人类需要发现和发展什么样的技术，以支持可持续的太空探索。该战略涵盖的时间范围到2030年，届时月球资源的潜力将通过在月球上的测量得到确定，关键的技术也将被开发和展示出来，并将确定将其纳入国际任务架构的计划。该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定实现空间资源利用所需的下一步计划。
2020年，欧洲航天局建立了一个原型工厂，从模拟的月球尘埃中生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属，因此该研究的另一个方向就是从这些材料中生产出最有利用价值的合金，并探索它们在月球上的用途。最终目标是设计一个可以在月球上持续运行的“试点工厂”，第一个技术示范计划在本世纪20年代中期进行。
这一领域的其他太空机构在做什么？
美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道飞行器已经探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。从该轨道器释放的月球坑观测和传感卫星(LCROSS)在2009年10月9日撞击月球，产生了16千米高的尘埃羽流。科学家经过观察和分析后，确定了月球表面的化学成分，表明水的确存在于月球上。
NASA还在开发多项将造访月球的立方卫星轨道任务，如“月球手电筒”(Lunar Flashlight)、“月球地图”(LunaH-MAP)和“月球冰立方”(Lunar IceCube)等，这些任务将致力于发现月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。
NASA的第一个火星着陆器“海盗号”发回了有关火星大气的重要数据，揭示了火星大气中95.9%的成分为二氧化碳。基于这一发现和后续探测任务传回的信息，NASA已经开发出了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，这将有利于人类前往火星的任务。最近，NASA选择了火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)作为“毅力”号火星探测车搭载的7个科学仪器之一。
挥发物是一种容易蒸发的物质，有可能成为月球上的水源。NASA正在与其他空间机构一道，协调对月球极地挥发物探测的国际合作，以确定挥发物作为潜在资源的可行性，并试图将月球作为火星ISRU技术的试验场。
中国国家航天局未来的任务也有望将月球极地挥发物作为潜在资源。在中国的国际月球研究站设想中，预计将在本世纪20年代末到30年代初建成一个用于科学研究的自动化设施，可能为利用月球资源提供先机。
俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)正在与欧空局合作进行三次“月球”系列任务，其中就包括“月球-27”任务，它将承载欧空局PROSPECT项目的一揽子计划。该任务将在月球极地地区进行测量，重点关注那里可能发现的低温挥发性物质。
目前，研究者已经提出了许多想法，为定居点、移动基础设施(如道路和着陆平台)、辅助基础设施(如通信、能源生产和储存)和硬件(如工具、室内设备、机械和衣物)的建设提供了支持。
这些想法中，包括了融化和3D打印月壤、用月壤制造太阳能电池，以及优化能量储存的新方法。此外，也有研究者在寻找不需要月壤就能利用有机垃圾种植植物，利用月壤建造有利于作物生长的温室，以及利用太空垃圾建造基础设施的方法。目前，欧空局正在以多种形式为这些想法提供资助，希望早日能将它们变成现实。
随着我们对月球和小行星的认识和了解逐渐提高，国际和私营机构更多地参与空间技术，以及新技术的出现，利用空间资源进行外星探索的可能性已触手可及。
当然，开发利用就地资源支持未来宇航员的技术和方法仍然是一项挑战，但在克服这项挑战的过程中，相关的技术需求和管理有限资源的新方法也会刺激地球上的创新。这或许将帮助我们找到应对全球挑战的新方法，并为地球工业带来中长期的经济回报。
据国外媒体报道，人类即将重返月球，而这一次，我们可能会建立长期的月球基地。然而，在长期的太空任务中，宇航员们的生活和工作都需要必要的基础设施，他们还需要展开实地探索活动，与地球保持联系，同时生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上携带所有这些基础设施需要付出极为昂贵的代价，因此，更合理的方案是就地获取材料并进行建造。为了探索这种可能性，欧洲空间局(ESA)的“探索与准备”(Discovery & Preparation)计划已经为多个研究项目提供了支持。
使用其他天体上的材料建造基础设施和生产设施的解决方案被称为“就地资源利用”(ISRU)。以往在这一领域的研究已经探索并展示了ISRU的基本概念，主要结合了勘探现场发现的资源与从地球带来的材料。
想要建立一个能够保护宇航员免受恶劣环境——包括稀薄或不存在的大气、极端温度、强辐射甚至微流星体等——影响的地外家园，ISRU就是必需的。通过利用就地资源，我们将能够在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的发射和着陆平台。ISRU也可以用来生产能够产生并储存能量的发电设备，以及用于通信的天线塔。此外，ISRU还可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造出可供外星探索和最终返回地球的推进剂。
1999年，第一个与ISRU相关的“探索与准备”研究项目重点关注了推进和动力系统，并评估了本世纪对先进推进技术的需求。这项研究的结论是，ISRU可以降低火星任务的成本，同时提高推进性能，但ISRU技术的研究和开发应该马上开始。
因此，在欧空局其他所有项目的配合下，ISRU的相关研究继续进行。2000年完成的一项研究侧重于未来太空探索所需的动力系统，包括设计一座ISRU化工厂，以生产推进剂和生命维持所需的化学品，以及外星表面活动所需的燃料。
同时进行的其他研究则更广泛地关注长期的太空探索，其中一项研究考虑了火星探索需要什么样的架构和技术。该研究探索了利用火星大气和土壤来生产推进剂和宇航员生存所需液体——包括氮、氧、氢和水——的可能性。另一项研究关注的是人类在长期星际和行星环境中的生存能力和适应性，发现ISRU在生产推进剂和生命维持消耗品方面可能有着重要的作用。
13年时间很快过去，随着技术的发展，研究人员已经能够探索更加具体的ISRU概念，包括一个从火星大气中收集、储存二氧化碳并将其输送到推进器的系统。这项由空中客车公司进行的研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将二氧化碳液化储存。
在过去的几年里，“探索与准备”计划还支持了诸多研究，比如利用月球土壤建造基础设施，以及更具体的能源生产和储存方法;最近的一项研究探索了如何利用月壤储存热量，并为宇航员、漫游车和着陆器提供电力。
一项研究探索了月球模拟设施如何支持ISRU技术的发展，包括对就地材料的挖掘和加工方法进行测试，以及如何利用3D打印等工艺将这些材料用于建造结构。
另一项研究证实了月壤作为建筑材料的可行性。研究人员选择了一种利用月壤打印结构的合适工艺，甚至设计了一个可打印的居住地。还有一项研究最近更进一步，探索了如何利用月球风化层进行3D打印，甚至确定了效果最好的打印工艺。
作为现有3D打印技术的替代方案，2019年的一项研究试图将月壤转化为纤维，用于建造坚固的结构。研究人员制作了一份材料样本，证明用这种方法制造局部不透水的结构是可能的。
最近，“探索与准备”计划资助的一组研究探索并定义了欧空局的月球IRSU示范任务，该任务的目标是到2025年时，证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探索了实际能生产水和氧气的系统，提出了一个使用“碳热反应堆”从土壤中提取氧气并用其来生产水的方案。另外两项研究分别探索了该系统如何依靠着陆器作为电源，以及它如何与地球通信。
为了实施月球ISRU示范任务，欧空局打算从商业机构采购任务赋能服务，包括有效载荷交付、通信和操作服务等。在这一过程中，欧空局将利用并进一步培育现有的商业方案，这些方案可能在未来的月球探索场景中得到广泛应用。
欧空局目前还在进行“PROSPECT”任务，该任务将探访并评估月球上的潜在资源，为未来可能用于开采这些资源的技术做准备。PROSPECT将在月球南极附近的月表下进行钻探，提取可能含有水冰和其他可能在极低温度下冻结的化学物质的样本。然后，钻头将把样本送到一个化学实验室，在那里对样本进行加热，以提取化学物质。这次任务将作为俄罗斯领导的“月球-27”(Luna-27)任务的一部分，并将测试未来可能应用于地外资源开采的过程。
2019年5月，欧空局发布了“空间资源战略”(Space Resources Strategy)，以支持到2040年利用就地资源维持人类在月球上存在的雄心。该战略着眼于人类需要发现和发展什么样的技术，以支持可持续的太空探索。该战略涵盖的时间范围到2030年，届时月球资源的潜力将通过在月球上的测量得到确定，关键的技术也将被开发和展示出来，并将确定将其纳入国际任务架构的计划。该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定实现空间资源利用所需的下一步计划。
2020年，欧洲航天局建立了一个原型工厂，从模拟的月球尘埃中生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属，因此该研究的另一个方向就是从这些材料中生产出最有利用价值的合金，并探索它们在月球上的用途。最终目标是设计一个可以在月球上持续运行的“试点工厂”，第一个技术示范计划在本世纪20年代中期进行。
这一领域的其他太空机构在做什么？
美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道飞行器已经探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。从该轨道器释放的月球坑观测和传感卫星(LCROSS)在2009年10月9日撞击月球，产生了16千米高的尘埃羽流。科学家经过观察和分析后，确定了月球表面的化学成分，表明水的确存在于月球上。
NASA还在开发多项将造访月球的立方卫星轨道任务，如“月球手电筒”(Lunar Flashlight)、“月球地图”(LunaH-MAP)和“月球冰立方”(Lunar IceCube)等，这些任务将致力于发现月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。
NASA的第一个火星着陆器“海盗号”发回了有关火星大气的重要数据，揭示了火星大气中95.9%的成分为二氧化碳。基于这一发现和后续探测任务传回的信息，NASA已经开发出了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，这将有利于人类前往火星的任务。最近，NASA选择了火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)作为“毅力”号火星探测车搭载的7个科学仪器之一。
挥发物是一种容易蒸发的物质，有可能成为月球上的水源。NASA正在与其他空间机构一道，协调对月球极地挥发物探测的国际合作，以确定挥发物作为潜在资源的可行性，并试图将月球作为火星ISRU技术的试验场。
中国国家航天局未来的任务也有望将月球极地挥发物作为潜在资源。在中国的国际月球研究站设想中，预计将在本世纪20年代末到30年代初建成一个用于科学研究的自动化设施，可能为利用月球资源提供先机。
俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)正在与欧空局合作进行三次“月球”系列任务，其中就包括“月球-27”任务，它将承载欧空局PROSPECT项目的一揽子计划。该任务将在月球极地地区进行测量，重点关注那里可能发现的低温挥发性物质。
目前，研究者已经提出了许多想法，为定居点、移动基础设施(如道路和着陆平台)、辅助基础设施(如通信、能源生产和储存)和硬件(如工具、室内设备、机械和衣物)的建设提供了支持。
这些想法中，包括了融化和3D打印月壤、用月壤制造太阳能电池，以及优化能量储存的新方法。此外，也有研究者在寻找不需要月壤就能利用有机垃圾种植植物，利用月壤建造有利于作物生长的温室，以及利用太空垃圾建造基础设施的方法。目前，欧空局正在以多种形式为这些想法提供资助，希望早日能将它们变成现实。
随着我们对月球和小行星的认识和了解逐渐提高，国际和私营机构更多地参与空间技术，以及新技术的出现，利用空间资源进行外星探索的可能性已触手可及。
当然，开发利用就地资源支持未来宇航员的技术和方法仍然是一项挑战，但在克服这项挑战的过程中，相关的技术需求和管理有限资源的新方法也会刺激地球上的创新。这或许将帮助我们找到应对全球挑战的新方法，并为地球工业带来中长期的经济回报。
#碳中和##双碳目标##低碳##碳达峰#
【碳中和：凭“空”制出液态燃料】
“云里铜乌风作籁，天边金掌露成霜。”这句宋诗是对金铜仙人承露盘的生动描述，表明在古代人们就懂得从空气中“捕获”所需成分——水了。
两千多年后的今天，人们依然致力于研究如何有效利用空气。只不过如今的研究大大增加了科技含量，其中的趋势之一是注重空气中碳的转化与利用。例如，微藻生物固碳技术，利用空气中的二氧化碳生产燃料、化学品和食物等；二氧化碳甲烷化技术，通过金属催化，将二氧化碳转化为天然气，实现二氧化碳资源化利用。
今天，让我们关注——
瞄向空气中碳的转化利用
有人可能会问：为什么要重视空气中碳的转化和利用呢？这主要从两点考虑——
首先是从物质上看。作为碳基生命，生物都需要碳，所以很自然地想要把空气里的碳转化为食物。
其次是从能量上看。供能所需的有机物都含有碳，而它们释放能量后会变成二氧化碳散发到空气中。如果把这些二氧化碳再转化为储能物质，就可实现碳中和，即碳的收支相抵，减轻温室效应。
去年，中国科学家在实验室中首次实现从空气中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，为应对粮食危机和气候变化提供了一条很有前景的策略。这是受光合作用启发，人类智慧对自然智慧的一种模仿。
无独有偶，近日瑞士苏黎世联邦理工学院的科研团队设计了一套利用阳光和空气直接生产液态烃或甲醇燃料的装置，为吸收和利用二氧化碳提供了又一条光明之路。
据顶级学术期刊《自然》杂志报道，这种装置在日常条件下运行，能在一天7小时的工作时间内生产32毫升甲醇。
众所周知，自然界有一条重要定律，那就是质量守恒。物质在化学反应过程中，原子种类不变，数目不增不减，只是发生重新结合，从一种连接方式转化为另一种连接方式。就像一个班级调换座位后重新划分小组一样，又进行重组，但班里的人没有变。
如果我们想要得到甲醇或其他液态烃类燃料，那么制备它们的原料也应含有同样元素，即碳、氢、氧。空气属于混合物，里面含有氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳以及其他物质。其中二氧化碳约占0.04%，水蒸气和其他杂质约占0.002%。
这就为以空气为原料生产液体燃料提供了可能：经由空气捕获装置收集和纯化，可得到较为纯净的二氧化碳（纯度98%）和水（污染物低于千万分之二）。
接下来的任务，就是把二氧化碳和水转化为燃料。
鉴于直接转化比较困难，一种权宜之计就是先把它们制备成合成气，即氢气和一氧化碳。这是制备许多化工原料的原料气。这套实验装置采用的方法是利用太阳能，驱动二氧化碳和水蒸气与三氧化二铈发生氧化还原反应，二氧化碳和水分别被还原为一氧化碳和氢气，而三氧化二铈被氧化为二氧化铈。氧化产物二氧化铈还可通过吸热，还原为氧气和三氧化二铈，便于再次循环利用。
市面上，三氧化二铈价格大约为1万元/吨，称不上昂贵，且可循环利用。合成气一氧化碳和氢气进入反应设备后，生成目的产物液态烃或甲醇，也就是空气燃料。
说到这里，大家或许会想到，二氧化碳合成淀粉的路线里，也有合成甲醇这一步，但那里用的是氢气还原，而这里用的是三氧化二铈还原。
“质”“量”兼优的能源利用方式
这条以空气为原料制备液态燃料的路线，理论上可行，实际上是否行得通呢？
首先让我们看一下产量。研究人员发现，该装置在正常工作条件下一天运行7小时，通过连续17次氧化还原循环，共获得96.2升的合成气。这些合成气，可在装置中进一步加工成甲醇。
装置测得的合成气单程摩尔转化率为27%，产生的甲醇纯度为65%。
剩余未转化的合成气经过6次循环转化后，最终总摩尔转化率为85%。一天运行7小时后，就得到了上述所提到的纯甲醇32毫升。这个产量的燃烧热和一盏功率为9瓦的日光灯照明15小时消耗的电量相当。
当然，这种设备并非只生产甲醇，通过选择具体的合成工艺，也可定制其他烃类燃料。
研究者认为，如果该项成果投入商业应用，将会创造巨大收益。例如，商业规模的太阳能燃料工厂可使用10个定日镜场，假设每个定日镜场收集100兆瓦的太阳辐射热能，系统总体效率为10%，那么每天就可生产95000升煤油，足够为一架载有325名乘客的空中客车提供从伦敦到纽约往返一趟的燃料。
这样看来，产量算是可观，那么这些燃料的质量如何呢？
我们和常规的航空燃料对比一下：目前生产航空煤油的常规方式是重油加氢裂化，产物中会不可避免地带有含硫化合物、含氮化合物、稠环芳烃、重金属等空气污染物。而通过该太阳能氧化还原装置生产出来的喷气燃料，通过燃烧测试表明，有害物质排放显著减少。相比之下，优势明显。另外，石油属于不可再生能源，而空气可源源不断地获取，从长远来看也更有前景。
在这个太阳能氧化还原装置里，二氧化碳和水在太阳能作用下会转化为液体燃料，而当液体燃料投入使用后又会生成二氧化碳和水。从物质角度考虑，碳排放和消耗相等，所以研究者称其为“碳中和的里程碑”。
从能量角度考虑，在燃料制备过程中，能量大多来自太阳能，而后续燃料燃烧又可根据需要转化为其他形式的能量。因此，这相当于间接利用了清洁能源。
面向未来发掘“清风”潜力
谈到这里，有人可能会质疑：为什么不直接制备氢气做燃料？这样就不再产生二氧化碳了呀！
其主要原因有两个：一是氢气作燃料，虽可减排，但不能吸收大气中已有的二氧化碳；二是限于目前的储氢技术，氢能在交通、家居等场景的普及还不现实。
其实，这项成果对未来最大的意义，并不是提供一个终极的能源生产方式，而是提供一个比较有性价比的固碳乃至碳中和手段，同时有望缓解碳氢燃料短缺且不可再生的危机。
此外，研究者算了一笔账：基于当前太阳能燃料系统的工作性能，空气捕获装置捕获量每年达到10万吨二氧化碳时，大约需要4500平方米的占地面积。假设系统总体效率为10%，那么这样一个太阳能燃料工厂每年将生产约3400万升燃料。相比之下，2019年全球航空煤油消耗量为4140亿升，若要完全满足全球需求，所有太阳能发电厂的总占地面积约为45000平方公里，相当于撒哈拉沙漠面积的0.5%。在人迹罕至的荒漠里，除了“大漠孤烟直，长河落日圆”的胜景之外，还可平添几分科技氛围。
这样看来，太阳能燃料系统原料易得、环境友好、占地面积并不大，似乎很容易推广。而实际上面临着诸多挑战：太阳能热化学燃料的初始投资成本很高，每升常规喷气燃料的成本通常不超过1美元，每升太阳能喷气燃料的成本却到了10美元。所以，其在短期内并不占优。
鉴于此，研究者拿出方案：呼吁政策支持，为第一代商用太阳能燃料发电工厂创造一个短期市场；实现自我提升，通过规模效应和流程优化，降低关键部件的生产成本，从而提升市场竞争力。
从质量守恒的角度来看，碳虽不会消失，但可转化为一种有益的存在形式，不管是淀粉还是燃料。这些转化途径都不是终极方式，也不是非此即彼。碳中和不会就此止步，未来会出现更多脱碳途径，各自发挥不同作用、适用不同条件。
“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无禁，用之不竭。是造物者之无尽藏也”。说出此话的北宋文学家苏轼尽管很有洞察力，但他或许想不到清风不仅能为“无米炊”，还能化作“万金油”。的确，到目前为止，我们还不知道二氧化碳究竟蕴藏着多大的转化潜力、存在多少种可能的用途。这一切，均取决于人类的想象力，这正是创新和改变的源泉。
【碳中和：凭“空”制出液态燃料】
“云里铜乌风作籁，天边金掌露成霜。”这句宋诗是对金铜仙人承露盘的生动描述，表明在古代人们就懂得从空气中“捕获”所需成分——水了。
两千多年后的今天，人们依然致力于研究如何有效利用空气。只不过如今的研究大大增加了科技含量，其中的趋势之一是注重空气中碳的转化与利用。例如，微藻生物固碳技术，利用空气中的二氧化碳生产燃料、化学品和食物等；二氧化碳甲烷化技术，通过金属催化，将二氧化碳转化为天然气，实现二氧化碳资源化利用。
今天，让我们关注——
瞄向空气中碳的转化利用
有人可能会问：为什么要重视空气中碳的转化和利用呢？这主要从两点考虑——
首先是从物质上看。作为碳基生命，生物都需要碳，所以很自然地想要把空气里的碳转化为食物。
其次是从能量上看。供能所需的有机物都含有碳，而它们释放能量后会变成二氧化碳散发到空气中。如果把这些二氧化碳再转化为储能物质，就可实现碳中和，即碳的收支相抵，减轻温室效应。
去年，中国科学家在实验室中首次实现从空气中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，为应对粮食危机和气候变化提供了一条很有前景的策略。这是受光合作用启发，人类智慧对自然智慧的一种模仿。
无独有偶，近日瑞士苏黎世联邦理工学院的科研团队设计了一套利用阳光和空气直接生产液态烃或甲醇燃料的装置，为吸收和利用二氧化碳提供了又一条光明之路。
据顶级学术期刊《自然》杂志报道，这种装置在日常条件下运行，能在一天7小时的工作时间内生产32毫升甲醇。
众所周知，自然界有一条重要定律，那就是质量守恒。物质在化学反应过程中，原子种类不变，数目不增不减，只是发生重新结合，从一种连接方式转化为另一种连接方式。就像一个班级调换座位后重新划分小组一样，又进行重组，但班里的人没有变。
如果我们想要得到甲醇或其他液态烃类燃料，那么制备它们的原料也应含有同样元素，即碳、氢、氧。空气属于混合物，里面含有氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳以及其他物质。其中二氧化碳约占0.04%，水蒸气和其他杂质约占0.002%。
这就为以空气为原料生产液体燃料提供了可能：经由空气捕获装置收集和纯化，可得到较为纯净的二氧化碳（纯度98%）和水（污染物低于千万分之二）。
接下来的任务，就是把二氧化碳和水转化为燃料。
鉴于直接转化比较困难，一种权宜之计就是先把它们制备成合成气，即氢气和一氧化碳。这是制备许多化工原料的原料气。这套实验装置采用的方法是利用太阳能，驱动二氧化碳和水蒸气与三氧化二铈发生氧化还原反应，二氧化碳和水分别被还原为一氧化碳和氢气，而三氧化二铈被氧化为二氧化铈。氧化产物二氧化铈还可通过吸热，还原为氧气和三氧化二铈，便于再次循环利用。
市面上，三氧化二铈价格大约为1万元/吨，称不上昂贵，且可循环利用。合成气一氧化碳和氢气进入反应设备后，生成目的产物液态烃或甲醇，也就是空气燃料。
说到这里，大家或许会想到，二氧化碳合成淀粉的路线里，也有合成甲醇这一步，但那里用的是氢气还原，而这里用的是三氧化二铈还原。
“质”“量”兼优的能源利用方式
这条以空气为原料制备液态燃料的路线，理论上可行，实际上是否行得通呢？
首先让我们看一下产量。研究人员发现，该装置在正常工作条件下一天运行7小时，通过连续17次氧化还原循环，共获得96.2升的合成气。这些合成气，可在装置中进一步加工成甲醇。
装置测得的合成气单程摩尔转化率为27%，产生的甲醇纯度为65%。
剩余未转化的合成气经过6次循环转化后，最终总摩尔转化率为85%。一天运行7小时后，就得到了上述所提到的纯甲醇32毫升。这个产量的燃烧热和一盏功率为9瓦的日光灯照明15小时消耗的电量相当。
当然，这种设备并非只生产甲醇，通过选择具体的合成工艺，也可定制其他烃类燃料。
研究者认为，如果该项成果投入商业应用，将会创造巨大收益。例如，商业规模的太阳能燃料工厂可使用10个定日镜场，假设每个定日镜场收集100兆瓦的太阳辐射热能，系统总体效率为10%，那么每天就可生产95000升煤油，足够为一架载有325名乘客的空中客车提供从伦敦到纽约往返一趟的燃料。
这样看来，产量算是可观，那么这些燃料的质量如何呢？
我们和常规的航空燃料对比一下：目前生产航空煤油的常规方式是重油加氢裂化，产物中会不可避免地带有含硫化合物、含氮化合物、稠环芳烃、重金属等空气污染物。而通过该太阳能氧化还原装置生产出来的喷气燃料，通过燃烧测试表明，有害物质排放显著减少。相比之下，优势明显。另外，石油属于不可再生能源，而空气可源源不断地获取，从长远来看也更有前景。
在这个太阳能氧化还原装置里，二氧化碳和水在太阳能作用下会转化为液体燃料，而当液体燃料投入使用后又会生成二氧化碳和水。从物质角度考虑，碳排放和消耗相等，所以研究者称其为“碳中和的里程碑”。
从能量角度考虑，在燃料制备过程中，能量大多来自太阳能，而后续燃料燃烧又可根据需要转化为其他形式的能量。因此，这相当于间接利用了清洁能源。
面向未来发掘“清风”潜力
谈到这里，有人可能会质疑：为什么不直接制备氢气做燃料？这样就不再产生二氧化碳了呀！
其主要原因有两个：一是氢气作燃料，虽可减排，但不能吸收大气中已有的二氧化碳；二是限于目前的储氢技术，氢能在交通、家居等场景的普及还不现实。
其实，这项成果对未来最大的意义，并不是提供一个终极的能源生产方式，而是提供一个比较有性价比的固碳乃至碳中和手段，同时有望缓解碳氢燃料短缺且不可再生的危机。
此外，研究者算了一笔账：基于当前太阳能燃料系统的工作性能，空气捕获装置捕获量每年达到10万吨二氧化碳时，大约需要4500平方米的占地面积。假设系统总体效率为10%，那么这样一个太阳能燃料工厂每年将生产约3400万升燃料。相比之下，2019年全球航空煤油消耗量为4140亿升，若要完全满足全球需求，所有太阳能发电厂的总占地面积约为45000平方公里，相当于撒哈拉沙漠面积的0.5%。在人迹罕至的荒漠里，除了“大漠孤烟直，长河落日圆”的胜景之外，还可平添几分科技氛围。
这样看来，太阳能燃料系统原料易得、环境友好、占地面积并不大，似乎很容易推广。而实际上面临着诸多挑战：太阳能热化学燃料的初始投资成本很高，每升常规喷气燃料的成本通常不超过1美元，每升太阳能喷气燃料的成本却到了10美元。所以，其在短期内并不占优。
鉴于此，研究者拿出方案：呼吁政策支持，为第一代商用太阳能燃料发电工厂创造一个短期市场；实现自我提升，通过规模效应和流程优化，降低关键部件的生产成本，从而提升市场竞争力。
从质量守恒的角度来看，碳虽不会消失，但可转化为一种有益的存在形式，不管是淀粉还是燃料。这些转化途径都不是终极方式，也不是非此即彼。碳中和不会就此止步，未来会出现更多脱碳途径，各自发挥不同作用、适用不同条件。
“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无禁，用之不竭。是造物者之无尽藏也”。说出此话的北宋文学家苏轼尽管很有洞察力，但他或许想不到清风不仅能为“无米炊”，还能化作“万金油”。的确，到目前为止，我们还不知道二氧化碳究竟蕴藏着多大的转化潜力、存在多少种可能的用途。这一切，均取决于人类的想象力，这正是创新和改变的源泉。
#冬奥加速度# 【#火炬燃烧用上了航天技术#！液体动力“国家队”将奇妙创意变成现实】奇妙的创意如何变成现实？液体动力“国家队”、来自中国航天科技集团六院北京十一所的科技团队提供了强大的技术支持。
“我们主要做液体火箭发动机，氢氧发动机尤其是我们的强项。”项目负责人宋晓峰说，“这一次，导演团队的创意方案结合了碳中和的理念，火炬燃烧的是氢气。氢气来源于水，燃烧出来也是水，非常环保。”
如今，回顾创意落地的过程，时间相当紧迫。技术负责人刘悦记得，第一次看到创意方案是在2020年底，“那是一个3D效果图，是创意团队最想看到的结果。”从2021年初到年中，技术团队和创意团队不断碰撞、磨合，6月份，总体创意基本定型，8月份进行六分之一测试，10月底完成1:1综合测试，到今年1月，最终详细定型测试、安装调试、准备应急预案等工作仍在进行中。
“我们实际上的工作量，远不只是现场能看到的这一套装置。”刘悦说，在中国航天科技集团内部，“这个任务被定义为‘航天重大工程’，和空间站、探月工程是同等重要的定位，领导要求我们不仅要‘万无一失’，而是要‘万万无一失’。”宋晓峰进一步解释了难度所在：“火箭发射可以根据天气做适当的调整，择机发射，但火炬亮相不能调整，开幕式的时间就定在2月4日晚上8点，要向全世界直播，对精确性的要求非常高。”
巨大的压力显而易见。“刚开始，面对这样一个创意和任务，我们不知道怎么下手。”宋晓峰介绍，后来，以团队精通的“燃烧”为切入点和主线，大家渐渐找到了方向：如何支持火炬空中移动、旋转并维持一定时间的稳定燃烧？一个相应的执行机构被威亚吊在场地上空，它既要能储存燃烧8小时的氢气气源，也要装载复杂精密的控制系统，还要将氢气燃料、电、网络信号安全的送给火炬。受上空威亚承重的限制，火炬的重量要尽可能做到最轻，同时还要有足够的强度；氢气作为分子量最小的气体，输送时又很容易泄露，团队为此专门研发定制了特殊的软管；火炬要转动，还要设计专用的氢气滑环；氢燃烧时是无色的，但火炬的火焰不能没有颜色。在焰色反应上，团队做了很多工作，解决火焰的颜色配比。此外，考虑到风对火炬的影响，团队又做了大量的缩比模型风洞实验……
整个火炬燃烧装置达到了相当前沿的水平。“从控制角度来看，我们已经采用了世界上最先进的技术，很多控制回路达到了三重化甚至四重化冗余，确保高可靠性。”工作人员周新文说。自动控制、热工技术、工艺技术、设备、施工等多个专业的科研人才，都汇聚在这支不断攻坚克难的团队里，80后、90后是主力，主要负责设计和现场施工管理工作的王星凯就是其中一员。火炬是开幕式的核心机密，相关工作大多安排在彩排结束后的深夜进行，入冬后，北京夜间的温度有时会逼近零下10度。“整个后半宿，我们基本上一站到底。”王星凯说。每当天光微亮，“即使是年轻人，腿也酸得不行了。”
更主要的挑战还是来自心理层面，“我们从去年11月份入场，要在短时间内完成很多工作，在各个环节上协调很多部门，最担心的就是今天的调试任务能不能按期完成。”每当预期的工作顺利结束，把所有记录汇总成材料时，王星凯和同事们都会收获这一天中最大的快乐，“作为年轻人，能参与到冬奥会的大团队中，我们都特别激动和自豪。”#最后一棒火炬就是主火炬#（北京日报客户端）
“我们主要做液体火箭发动机，氢氧发动机尤其是我们的强项。”项目负责人宋晓峰说，“这一次，导演团队的创意方案结合了碳中和的理念，火炬燃烧的是氢气。氢气来源于水，燃烧出来也是水，非常环保。”
如今，回顾创意落地的过程，时间相当紧迫。技术负责人刘悦记得，第一次看到创意方案是在2020年底，“那是一个3D效果图，是创意团队最想看到的结果。”从2021年初到年中，技术团队和创意团队不断碰撞、磨合，6月份，总体创意基本定型，8月份进行六分之一测试，10月底完成1:1综合测试，到今年1月，最终详细定型测试、安装调试、准备应急预案等工作仍在进行中。
“我们实际上的工作量，远不只是现场能看到的这一套装置。”刘悦说，在中国航天科技集团内部，“这个任务被定义为‘航天重大工程’，和空间站、探月工程是同等重要的定位，领导要求我们不仅要‘万无一失’，而是要‘万万无一失’。”宋晓峰进一步解释了难度所在：“火箭发射可以根据天气做适当的调整，择机发射，但火炬亮相不能调整，开幕式的时间就定在2月4日晚上8点，要向全世界直播，对精确性的要求非常高。”
巨大的压力显而易见。“刚开始，面对这样一个创意和任务，我们不知道怎么下手。”宋晓峰介绍，后来，以团队精通的“燃烧”为切入点和主线，大家渐渐找到了方向：如何支持火炬空中移动、旋转并维持一定时间的稳定燃烧？一个相应的执行机构被威亚吊在场地上空，它既要能储存燃烧8小时的氢气气源，也要装载复杂精密的控制系统，还要将氢气燃料、电、网络信号安全的送给火炬。受上空威亚承重的限制，火炬的重量要尽可能做到最轻，同时还要有足够的强度；氢气作为分子量最小的气体，输送时又很容易泄露，团队为此专门研发定制了特殊的软管；火炬要转动，还要设计专用的氢气滑环；氢燃烧时是无色的，但火炬的火焰不能没有颜色。在焰色反应上，团队做了很多工作，解决火焰的颜色配比。此外，考虑到风对火炬的影响，团队又做了大量的缩比模型风洞实验……
整个火炬燃烧装置达到了相当前沿的水平。“从控制角度来看，我们已经采用了世界上最先进的技术，很多控制回路达到了三重化甚至四重化冗余，确保高可靠性。”工作人员周新文说。自动控制、热工技术、工艺技术、设备、施工等多个专业的科研人才，都汇聚在这支不断攻坚克难的团队里，80后、90后是主力，主要负责设计和现场施工管理工作的王星凯就是其中一员。火炬是开幕式的核心机密，相关工作大多安排在彩排结束后的深夜进行，入冬后，北京夜间的温度有时会逼近零下10度。“整个后半宿，我们基本上一站到底。”王星凯说。每当天光微亮，“即使是年轻人，腿也酸得不行了。”
更主要的挑战还是来自心理层面，“我们从去年11月份入场，要在短时间内完成很多工作，在各个环节上协调很多部门，最担心的就是今天的调试任务能不能按期完成。”每当预期的工作顺利结束，把所有记录汇总成材料时，王星凯和同事们都会收获这一天中最大的快乐，“作为年轻人，能参与到冬奥会的大团队中，我们都特别激动和自豪。”#最后一棒火炬就是主火炬#（北京日报客户端）
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