軌道上的簡單測試，展現太空飛行自給自足的可能
中國宣稱首次在太空生產資源。在天宮太空站，神舟十九號乘組使用一套小型人工光合作用裝置，將二氧化碳和水轉化為兩種必需物質：可供呼吸的氧氣，以及可用於製造火箭推進劑的碳氫化合物乙烯。這項示範在一套抽屜形裝置中，透過 12 次受控試驗完成，顯示地球上的植物核心化學反應經過工程設計後，也能在軌道上運作。
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這項成果之所以突出，不只是因為產出了什麼，也在於它是在什麼條件下實現的。系統在室溫和標準壓力下運作，不必像許多化工廠那樣仰賴極端條件。在微重力環境中，太空人也成功精確控制氣體和液體的流動；由於氣泡不會上升、液體也不會沉降，這向來是已知的挑戰。團隊即時記錄產物，確認系統能生成氧氣並形成碳氫化合物。
這項技術自 2015 年起在中國持續研發。如今證實它能在太空運作，對任何旨在讓乘組不必仰賴持續補給的計畫而言，都是一項里程碑。若太空船能在飛行途中製造空氣和燃料，任務就能減輕載重、提高安全性，也更具彈性。同一套技術也可延伸到月球或火星前哨基地；當地的水和二氧化碳以冰凍或大氣中的形式存在。
官方表示，只要更換觸媒，系統就能調整為製造不同產品，包括甲烷和甲酸。甲烷已是廣受採用的火箭燃料；甲酸則可作為更複雜化學反應的基礎原料，包括推進糖類合成、用於食品生產研究的步驟。這種彈性展現出未來可能由一套裝置身兼多職，從生命維持到推進劑供應都能處理。
系統如何運作
人工光合作用仿效植物的原理，但使用的是工程材料，而不是葉片。簡單來說，這個過程分成兩部分。一部分將水分解成氧氣，並把 O2 送入艙內。另一部分則取用二氧化碳，加入電子和氫，合成乙烯、甲烷或甲酸鹽等分子。能量可來自太陽能板轉換的陽光，也可來自直接活化裝置內半導體觸媒的光線。
淺白解讀化學反應
天宮裝置內的半導體觸媒提供反應表面，讓二氧化碳和水在此相互作用。能量輸入後，觸媒會促使原子重新排列。水釋出氧和氫，二氧化碳則提供碳。碳原子如何結合，取決於使用的觸媒。銅基觸媒通常會把碳原子連接起來，形成乙烯；其他材料則較容易生成甲烷或一氧化碳。工程師會依照所需的產物組合選擇觸媒。
搭載於天宮的裝置似乎採用室溫反應路徑，不需要高壓槽或高溫。這能降低電力需求；對必須精打細算使用每一瓦電力的太空船而言，這點至關重要。裝置也更容易整合進空氣管理系統，因為氧氣能在艙內壓力下輸送，碳氫化合物則可儲存或送往後續處理，不必使用笨重的高性能壓縮機。
天宮乘組實際進行的工作
神舟十九號乘組於 2024 年 10 月底展開任務，並在一個抽屜形模組內進行 12 次實驗。裝置內設有觸媒、流體通道和感測器，用來管理由氣體、液體和固體組成的三相反應。團隊確認氧氣產量，並測量乙烯生成情況；乙烯是推進系統研究的一項關鍵目標產物。
微重力環境下的流體控制是一大挑戰。在地球上，氣體和液體會自然分離；在軌道上，則由表面張力主導。天宮設備設有通道、薄膜和流量控制裝置，讓反應物能持續接觸觸媒，同時將產物移開，使反應得以繼續。實驗也記錄氣體流動和分離情形，作為未來設計的參考。
微重力環境下的流體控制為何重要
如果氣泡附著在觸媒上，產量就會下降；如果液體無法均勻接觸反應表面，就會形成局部過熱或乾燥區域。精確的流量控制，決定了成果究竟只是實驗室概念驗證，還是能產出可供應至儲槽的產品。天宮蒐集的數據，將為工程師提供放大製程所需的參考依據。
這次試驗也為太空站上一系列探究日常程序在無重力環境下如何運作的實驗增添新成果。天宮過去的研究包括種植萵苣和番茄，甚至點燃火柴以研究火焰特性。這些研究累積實務知識，為在地球以外運作工廠和農場做好準備。
對生命維持與推進系統的重要性
每少一公斤物資需要搭乘火箭離開地球，就能降低成本和風險。氧氣就是一個重要例子。國際太空站利用太陽能板供電，透過電解裝置分解水來製造氧氣。研究估計，氧氣生成約占太空站生命維持系統能源預算的三分之一。這種方法可行，但耗電量高，而且系統仍須定期補充水和消耗品。
人工光合作用則開闢了另一條路徑。它能把太空人呼出的二氧化碳重新轉化為氧氣，同一套裝置也能合成碳氫化合物分子作為燃料。反應可在室溫和艙內壓力下進行，因此能降低用電需求。能自行製造氧氣和推進劑的太空站或基地，可以延長補給間隔，並將更多電力留給科學研究和任務操作。
可製造的產品種類也很有價值。許多新型發動機，包括以重複使用為目標的設計，都使用甲烷搭配液態氧。甲酸可以化學形式儲存氫氣，以供日後使用。乙烯則可直接燃燒，也能精煉成其他燃料和材料。把廢棄碳轉化為有用分子的系統，能提高太空站上每公升水和每瓦太陽能的效益。
乙烯能成為太空船的燃料嗎
乙烯是一種含有兩個碳原子的簡單碳氫化合物。它容易與液態氧燃燒，可用於發動機或推進器，也曾用於研究型發動機和試飛。實際性能取決於發動機設計，但乙烯與甲烷、丙烷同屬一類。在軌道上，若使用銅基觸媒，乙烯可直接由二氧化碳還原反應生成。
不過，這種燃料也有取捨。乙烯在室溫下是氣體，因此必須加壓或冷卻才能儲存。許多任務偏好甲烷，因為它較容易在低溫下與液態氧一同處理。乙烯也可作為原料，經過額外處理後轉化為液體，或製成有助於製造的塑膠。天宮實驗證明團隊能以乙烯為目標產物；未來任務則可能依用途調整觸媒，改為生成甲烷或甲酸鹽。
推進劑的選擇只是其中一環。幾乎所有化學火箭的推進劑組合中，氧氣都是重量較重的一方。任何能在太空中低成本製氧的裝置，都能減少必須從地球發射的載荷。即使初期仍需從地球運送碳氫化合物，只要太空站能就地供應氧氣，就能讓任務的成本與載重計算更有利。
從太空站走向月球
中國已公開設定目標，計畫在 2030 年前載人登月，並於 2030 年代初至中期建成國際月球科研站。2024 年的報導指出，計畫將使用機器人組裝小型核反應爐，為基地供電。電力只是其中一環，接下來還需要不依賴貨運飛行的空氣和燃料供應。天宮試驗被視為達成此目標的基礎。
未來的軌道補給鏈
另一個環節是在軌道上運送和共享推進劑。2025 年 1 月，中國發射實踐二十五號衛星，測試在軌補加燃料技術。若與太空站上的生產結合，補加燃料測試所指向的，是一種供應鏈：一個平台製造燃料成分，另一個平台則將其運送至衛星或轉移飛行器。一種可行的配置可能如下：載人或機器人平台利用人工光合作用，將 CO2 和水轉化為氧氣和甲烷；加油衛星則與平台會合，收集推進劑，再配送給需要補充燃料的太空船。在月球表面，類似裝置可為棲地供應氧氣，並儲存甲烷供發射返回軌道之用。各地點都利用當地的陽光或核能驅動化學反應。
接下來的必要工作
天宮裝置目前只是概念驗證，還不是一座工廠。若要支援乘組或為飛行器補充燃料，產量必須提高數個數量級。這需要更大的反應面積、更好的熱管理，以及能持續運作數月而不失效的觸媒。太空輻射和溫度變化可能使材料劣化。工程師必須測試裝置的使用壽命，並設法在不運送笨重設備上太空的情況下更換零件。
產物分離和儲存同樣困難。氧氣必須達到適合呼吸和供發動機使用的高純度。碳氫化合物則必須與副產物分離，並安全地加壓或液化。在太空船內處理氧氣和燃料會提高火災風險，設計人員必須透過閥門、感測器和嚴格隔離來降低風險。這些挑戰都不是無法克服，但需要謹慎的工程設計和反覆測試。
能否與生命維持循環整合，將決定實際效益。在國際太空站上，電解系統搭配反應器，讓 CO2 與氫反應生成水和甲烷，部分封閉了物質循環。未來的太空站可以選擇其中一種路徑，也可以混合使用。最佳設計或許能從空氣中捕捉 CO2、持續製造氧氣，並在電力充裕時把燃料產物送往儲存。若要例行使用，自動化操作將不可或缺。
這項技術如何融入全球努力
在地球以外生產資源，是各國太空機構共同關注的方向。NASA 曾在「毅力號」火星車上搭載 MOXIE 實驗，從火星大氣中萃取氧氣，證明小型裝置能在火星製氧。歐洲太空總署和許多實驗室正研究利用陽光或電力轉化 CO2 的光觸媒。民間企業則設計使用甲烷的發動機，搭配就地製造的氧氣。這些計畫共享同一個理念：利用當地資源，減輕發射載荷。
直到目前，多數軌道生命維持系統測試著重於植物生長、生物學和電解。天宮這次試驗是首份報告，指出二氧化碳還原系統能在室溫和標準壓力下於軌道上生成碳氫化合物和氧氣。這一步讓生命維持與推進劑供應能在同一套裝置中結合，也提高了未來平台的目標，不論是在低地球軌道、地月空間，或月球表面。
競爭能加快進展。中國有月球基地和深空任務計畫，勢必希望擴大這項技術的規模。美國、歐洲、日本等也積極推動原位資源利用計畫，可能很快就會進行自己的示範任務。對工程師而言，真正的目標是打造能長期穩定運作、無須頻繁維修的實用設備。
重點整理
- 神舟十九號太空人在天宮進行 12 次人工光合作用實驗。
- 裝置在室溫和標準壓力下，將 CO2 和水轉化為氧氣和乙烯。
- 試驗驗證了微重力環境下的流體控制和即時偵測。
- 更換觸媒後，系統可依不同用途製造甲烷或甲酸。
- 相較於國際太空站的水電解方式，這種方法旨在降低電力需求。
- 乙烯可用作推進劑，也可作為原料製造其他燃料和材料。
- 中國正將在軌生產與補加燃料測試結合，並規劃在 2030 年前載人登月。
- 接下來的主要挑戰包括提高產量、確保長期穩定，以及安全儲存和處理。
