太空旅游是人类探索自然、挑战极限的方式之一，因科技的进步而得以实现并飞速发展起来。未来，随着升空遨游的成本不断降低，越来越多的能人异士会加入到这项高消费游戏中，就像汽车从富豪圈中驶向千家万户。世界就是以无数个轮回交替向前的方式进化的，现如今又是富豪先行——打卡太空的时代。
2021年7月11日，维珍银河创始人布兰森乘坐太空飞机，在到达距离卡门线还差14公里的高空（卡门线是国际航空联合会定义的大气层和太空的界线，高度为100公里），经历4分钟失重体验后，返回地球。为了这一短暂的体验，布兰森总计花费8.41亿美元。
美国的吃瓜群众不乐意了，认为这笔巨款本可被更好地利用在解决地球上更紧迫的问题上。另有相关媒体报道，紧随其后的贝佐斯太空之旅受到更强烈的抵制，约有15万人签署呼吁书，要求阻止贝佐斯重返地球。
7月20日，亚马逊创始人、全球首富贝佐斯搭乘蓝色起源（贝索斯旗下的一家商业太空公司）开发的“新谢泼德”火箭，超越卡门线，在做短暂的停留后，依恋地看了一眼地球，毅然而然地又回来了。
（a）布兰森（b）贝佐斯
布兰森：我可是商业太空飞行第一人！领先小贝9天呢！
贝佐斯：呵！你花了一个多小时，拼了全力，才距地86公里，这撑死就叫高空飞行吧。我可是几分钟就越过卡门线，这就是速度与激情，这才是真正的太空旅行！
布兰森：什么高度又时间的，不扯那些没用的，咱买卖上见！来来来，买票啦，维珍银河商业太空旅游门票25万美元/张，已收到600张预定，手慢无了哈。
贝佐斯：哭晕在厕所（蓝色起源 2800万美元/张）
马斯克：哭晕在厕所×2（SPCACEX 5800万美元/张）。。。
事实上，让两大富豪争得脸红脖子粗的商业太空旅行，都只是亚轨道飞行而已，就技术难度而言，跟真正轨道载人航天是没办法相提并论的。亚轨道飞行只需要克服地球重力势能，达到距地80-100公里的高度即可，而轨道飞行不仅需要达到400公里的高度，还需要横向加速到7.9 公里/秒的第一宇宙速度，所需速度增量远远大于亚轨道飞行。另外，在返回地球的过程中，亚轨道飞行只需自由落体即可，凭借滑翔或降落伞都可以平安落地；而轨道飞行需要利用地球大气将第一宇宙速度减下来，这就要求有更加完备的热防护系统。
著名哲学家康德曾说过,世界上有两种东西能够深深地震撼人们的心灵,一件是我们心中崇高的道德准则,另一件是我们头顶上灿烂的星空。太空探索已成为人类共同追逐的目标，一系列具有重大里程碑意义的探索任务正逐步开展，人类对太空探索的热情高涨，太空旅行时代或已到来。
中国对于这片星空的探索，从二十世纪50年代，我国第一个火箭导弹研制机构——钱学森任首任院长的国防部第五研究院成立，到自主研制和发射建造空间站，到月球背面登陆挖土，到火星巡视探测，再到近日神舟十二号载人飞船成功发射，首次实现在空间站“入住”。中国人长达半个多世纪的太空探索，逐渐揭开神秘面纱。
（a）外太空和（b）航天飞行器
近日，我国第一批月球科研样品发放仪式在北京国家航天局探月与航天工程中心隆重召开，国家航天局探月与航天工程中心主任、探月工程副总指挥刘继忠表示，“每一粒样品都弥足珍贵，要尽最大努力保护样品，最大限度减少研究中的样品损耗。”国家航天局向13家单位发放了共计31份月壤样品，其中南京大学等单位同中国空间技术研究院联合领取了8000毫克月壤科研样品，将用于支撑地外生存的人工光合成材料的系统研究。
（a）月壤（b）月壤样品
看到这里不禁好奇，月壤为何如此珍贵？为什么要研究地外人工光合？月壤在此研究中又起到什么作用？
人类在地外极端环境下生存和发展已成为太空探索要解决的核心问题之一，人类脱离地球，进行太空长期飞行、地外移民等活动，必须具备氧气、燃料和营养的长期持续供应能力。将人类呼出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，利用地外大气环境中丰富的二氧化碳和水原位资源生产氧气和燃料，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。H2O/CO2原位转换有望在解决上述问题中发挥重要作用。
当前，美国等航天强国为解决国际空间站的氧气供应，采用电解水的方式为宇航员补充氧气。为实现宇航员排出的二氧化碳再利用，NASA和JAXA在国际空间站上开发了一套二氧化碳还原和氧气获取装置，其中二氧化碳还原是利用Sabatier方法通过氢气将二氧化碳转化成甲烷和水，氢气通过电解水装置获得。Sabatier反应装置为气固两相过程，核心装置温度为250-450℃，气体最小压力为55 kPa。其中地面实验装置质量约41 kg，总功率超过100 W。这一系统已于2010年10月完成在轨测试。
（a）MIP CO2转换系统 （b）MOXIE CO2转换系统
对于更具挑战性的月球和火星等载人深空探索任务，美国最早提出原位制造氧气和燃料的方案。针对火星上的二氧化碳资源，NASA在2001年提出了MIP计划，利用高温电解技术将二氧化碳还原为氧气，如上图（a）所示。2013年美国NASA提出火星原位资源利用MARCO POLO着陆任务，将综合利用火星大气和土壤资源，采用Sabatier和电解水过程产生氢、氧和甲烷燃料。2014年，进一步提出MOXIE载荷，采用固体氧化物电解池（SOXE）系统，在800℃条件下将火星大气中的二氧化碳还原成氧气，实现产氧10 g/h，如上图（b）所示。该载荷计划在2020年左右进行发射，在火星上将进行约2 h的实验。如果这一原位资源利用技术被验证通过，NASA计划后续研制一个100倍放大的规模化装置，支持2033年载人火星任务。
总体来看，美国在CO2利用和转化的太空任务中主要采用工业界比较成熟的高温（电）化学转换技术。虽然该技术路线具有较高的成熟度和稳定性，但需要在极高的温度条件下（900-1600℃）进行，运行条件苛刻，能耗大，不利于载人深空探索的进一步发展。
在航天竞争如此激烈的今天，中国团队需利用独特创新优势，另辟蹊径才能有更大的突破。
我国科学家邹志刚团队，率先将光催化、光电催化技术等创新性地用于人工地外光合成方向，打破了光催化、光电催化无用的常见观点，具有开辟性。姚颖方副教授作为项目的首席科学家，展现了科研由年轻人承担重任的亮色。团队敢想、敢拼、敢走新路，是打破学科限制的联合军团，包含多名院士、数位航天总师，涉及来自高校、科研院所、航天等多部门专家学者，体现交叉合作与联合创新的作战思想。
不久前，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（Extraterrestrial artificial photosynthetic materials for in-situ resource utilization），提出了地外人工光合成技术可在温和条件下低能耗的实现H2O/CO2转换，并有望获得应用。
地外人工光合成(如上图)是模拟地球上绿色植物的自然光合作用，通过光电催化原位，加速、可控地将二氧化碳转化成为氧气和含碳燃料的化学过程，是太空探索的核心能力。它不仅可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资源原位再生，大大降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求；而且可利用火星等大气环境中丰富的二氧化碳和水原位资源生产氧气和燃料，为人类在其他行星的长期生存提供技术支撑。与传统的CO2转化利用技术(如热化学法、电化学法等)相比较，利用太阳能和半导体材料的地外人工光合成技术通常是在常温常压下进行，且原料易得，除太阳能等地外能源以外，不耗费其他辅助能源，并可获得清洁可再生的化学能，因而被认为是太阳能转换和存储的绿色化学方法之一。
中国希望通过该项目逐步解决：1. 航天员舱外活动的碳、氧循坏生命支持系统（背包式）；2. 舱内系统；3. 月表、火表的碳、氧循环协同；4.利用月表、火表资源为原料，生命支持系统逐步脱离地球的供应。而这些也是文章开头那两家商业太空旅游公司未解决的技术难题，所以他们在太空停留时间不可能很长。如果中国的技术获得突破，将来也进行商业开发的话，就会从走马观花游到深度游，再到旅行社级的景区十日游。
虽然地外人工光合成的构想是可实现的，但是太空探索活动中面临低微重力、强辐射、极端温压等特殊环境，使太空实现H2O/CO2转化面临一系列挑战。
由于地外特殊环境（如：高能射线、微重力、极端温度等）对人工光合成材料的设计和制备产生较大影响。需探索和研究适用于地外环境的人工光合成材料。
材料选择：由于地内外元素种类和含量存在较大差别，地外人工光合成材料有别于现有的体系，需围绕地外星体土壤可用的少数化学元素，探索可利用地外能源获得的人工光合成材料体系。这也就是为什么开头提到的月壤如此珍贵的原因。
材料合成：受限于地外空间特殊的环境和匮乏的能源与资源，很多常规材料制备技术和方法难以应用于地外材料制备，且地外的微重力环境对材料生长过程产生影响。需研究模拟地外可用矿产和能源资源的人工光合成制备技术和方法，实现适用于地外环境人工光合成材料的可控制备。
人工光合成材料的催化性质受材料的缺陷、表界面状态、形貌等参数的影响较大，而其受限于地外特殊的环境条件，常规材料微结构调控技术难以适用，因此需要探索适用于地外特殊环境人工光合成材料的调控技术来提高和优化地外人工光合成材料的性能和稳定性。
由于材料微结构、地外特殊能量场环境对地外人工光合成材料性能产生极大影响，需从反应原理角度考虑，提高地外人工光合成能量转换效率。
能带调控：通过调节材料的能带结构实现太阳光的宽谱甚至全谱吸收，以及光热/热电复合CO2转换，从而提高地外人工光合成能量转换效率。
电场调控：研究地外人工光合成材料表界面附近的电场强度，调控电子、空穴分离速率，延长光生载流子复合时间，制备具有特定内建电场的地外人工光合成材料，最大效率利用光生载流子。同时研究外场增强地外人工光合成活性的协同效应和机理，提高太阳能转换效率。
光生载流子自旋动力学：研究不同铁磁、反铁磁以及亚铁磁材料与半导体材料复合结构，确定具有的特定光合作用过程。通过磁性拓扑结构，囚禁特定自旋的光激发电子、空穴，实现具有反自旋的电子、空穴分离，研究地外人工光合成材料相应催化过程的自旋输运效应，并探讨利用其调节能量转换效率的途径。
3. 从催化机理角度
微重力、强紫外、高能射线等模拟地外环境对人工光合成材料晶体结构、电子结构等材料基本物理性能产生影响，从而影响其催化性能。需研究地外人工光合成材料在地外特殊环境下的作用机制，为高效人工光合成体系构建提供关键性基础支撑。
反应体系路径和步骤：研究地外人工光合成材料在特定模拟地外环境中复杂应用条件下的反应动力学行为。深入研究二氧化碳还原反应过程中反应物的吸附、中间产物的最终产物的产生和脱附机制，揭示二氧化碳还原的反应路径和步骤，从而发展高活性和高选择性地外人工光合成体系。
稳定性和失活机理：研究地外特殊环境下地外人工光合成材料的结构变化、失效规律、时间效应、可靠性，根据失效机理探索地外人工光合成材料的再生方法，探索开发可自愈人工光合成材料，为长寿命地外人工光合提供基础支撑。
4. 从体系角度
地外空间太阳辐射光谱与地球表面有显著差异，需要建立适用于微重力环境的人工光合成综合评价标准，并需要构建高效地外人工光合成系统，研制空间实验装置，使其得以最终应用。
体系评估标准：太空低微重力影响物质传输过程，超高真空、强宇宙辐射、极限低温环境对地外人工光合成过程有重要影响。针对地外特殊物理化学环境，应建立人工光合成物理化学过程综合反应评估方法和流程，开展空间环境下的实验验证和评价。
体系装置研发：针对空间环境的不稳定性和复杂性，结合有关约束条件，在保证技术先进性和环境适应性的同时有效降低技术风险，研制可重复使用、通用化、开放性的“自主可控”地外人工光合试验装置系统。
针对地外人工光合成面临诸多挑战，科学家们依旧不断探索并攻克，预期从这四个方面各个击破。
从材料角度：获得适用于地外环境人工光合成材料的特殊制备方法和调控技术；模拟地外土壤成分，筛选适用于地外环境且具有高活性高选择性高稳定性的人工光合成材料。
从反应原理角度：阐明地外复杂外场条件下，催化材料内电子/声子/自选耦合反应作用机制，建立光/热/电/磁耦合效应与地外人工光合成构效关系模型。
从催化机理角度：阐明地外人工光合成材料失活原理，发展地外人工光合成材料再生方法。
从体系角度：完成地外人工光合成原理验证系统和环境试验系统的研制和测试等工作；建立适用于微重力环境的人工光合成综合评价行业标准或国家标准。
我们相信，在探索星辰大海的伟大事业中，已知的和未知的各项挑战，都必将被逐个攻克。我们相信，地外人工光合成终将实现，我们离外太空越来越近，外太空终将成为我们新的家园。我们相信，未来商业太空旅行将会是所有梦想仗剑走天涯的人说走就能走的旅行。
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