在零重力環境中分解水制氫
科學實驗，空間站Expedition Six的指揮官通過旋轉設備使較重的液體擠到了外部，而氣泡留在了中間|NASA
很多政府和私營企業都定製了前往火星建立殖民地的宏偉目標，而隨著越來越多的類地行星被發現，用世代飛船進行太空殖民的建議似乎變得更為可行。
然而，太空中的漫漫長路對人類而言並不友好。主要技術瓶頸之一是需要為船員提供足夠的氧氣，為設備提供足夠的燃料。不幸的是，太空中只有極其微量的氧氣。
但現在發表在Nature Communications上的一項新研究表明，使用半導體材料在零重力環境下藉助恆星的光照可以把水分解成氫氣(作為燃料)和氧氣(支持生命)——從而使長時間的空間旅行成為可能。
將太陽近乎無限的能量轉化成為我們的日常生活可用的動力，是當今世界上最重大的技術挑戰之一。隨著我們從石化能源轉向可再生能源，研究人員對工業化產出氫氣報以極大的期待。
最好的方法是將水(H2O)分解：氫和氧。這可以使用被稱為電解的技術，使電流流過含有一些可溶性電解質的水。水分子分解成氧元素和氫元素，最後它們在兩個電極處被釋放出來。
雖然該方法在技術上是可行的，但當我們推廣氫能源的時候，需要建設更多基礎設施，例如氫氣加油站，而它的效率始終不能令人滿意。
太陽能
電解水產生的氫和氧也可以用作航天器上的燃料。在火箭中電解水產生氫氣，實際上比直接在火箭上安裝氫氣和氧氣燃料罐更加安全，後者在操作過程中發生爆炸的幾率更高。
有兩個選擇。一個是電解，就像我們在地球上一樣，使用電解質和太陽能電池收集陽光並將其轉換成電流，然後用電來分解水。另一種是使用「光催化劑」。插入水中的半導體吸收光子，然後釋放出一個電子，留下一個「空穴」
自由電子可以與質子(它與中子一起構成原子核)在水中反應形成氫。同時，半導體空穴可以捕獲水中的電子，形成質子和氧。
這一過程也可以逆轉。可以使用燃料電池將氫氣和氧氣結合在一起或「重新組合」，從而吐出「光催化」時吸收的太陽能——這就變相地成為了一種儲存太陽能的絕佳手段。水是該反應的唯一產物，意味著整個過程可以反覆循環。這才是長途太空旅行中的關鍵所在。
使用光催化劑的工藝是太空旅行的最佳選擇，因為相關設備的重量遠遠低於電解工業所需的設備。理論上講，它應該很容易。部分是因為外層空間中太陽光的強度要高得多，而地球的大氣層在吸收了陽光中的大量能量。
控制氣泡
在最新的研究中，科學家放棄了光催化的完整配置，在120米的高塔上，藉助降落創造了類似於微重力的環境。
研究人員證明了在這種環境中確實可以成功分解水。然而，當水變成氫氣和氧氣時，產生了氣泡。一旦形成氣泡，就必須要從催化劑材料中除去它們——氣泡阻礙了後續的反應過程。
在地球上，重力使氣泡自動漂浮到表面——為催化劑釋放空間，以便產生下一個氣泡。
在零重力下，這是不可能的，並且氣泡將停留在催化劑上。然而，科學家想出來一個好辦法：通過創建一個金字塔形區域來調整催化劑中納米級特徵的形態，其中氣泡可以容易地從尖端脫離並漂浮到介質中。
但仍有一個遺留問題。在沒有重力的情況下，氣泡將留在液體內。最終它們和液體形成了泡沫狀的物質，也會極大影響到催化反應的效率。
解決這一問題將成為在太空中實施水分解的關鍵。一種容易想到的可能方法是利用航天器旋轉產生的離心力將氣體從溶液中分離出來。
本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
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