美德科學家攻克太空光解水難題，配合人造旋轉重力或成功登陸火星

隨著人類科學技術水平的不斷提升，近年來越來越多的類地行星被發現，意味著長途太空旅行離我們更近了一步，令人興奮不已。許多空間機構和私人公司已經有了在未來數年內將人類送上火星的計劃。

然而，對於人類來說在太空中生存較長一段時間並不容易。目前，長距離的太空旅行所面臨的主要挑戰之一是如何為宇航員提供足夠的氧氣，並提供足夠的燃料為複雜的電子設備提供動力。近日，發表在Nature Communications上的一項最新研究表明，美德科學家利用半導體材料和太陽光（或其他星光）在零重力下即可從水中生產氫氣（燃料）和氧氣（生命），從而使長期太空旅行成為可能。

實際上，在飛船上生產火箭燃料和水比發射額外供給的火箭燃料和氧氣更安全，因為燃料和氧氣極有可能引發爆炸。一旦進入太空，利用特殊技術將水分解成氫氣和氧氣，從而可以用來維持生命或通過燃料電池為電子設備供電。水分解產生氫氣和氧氣的方法包括電解水和光解水兩種。使用光催化劑技術是太空旅行的最佳選擇，這不僅因為光催化設備重量遠遠低於電解所需設備的重量，而且太空中高強度太陽光使得光解水更易進行。

光催化劑（半導體材料）吸收光子後電子從價帶躍遷至導帶，產生光生電子和空穴，空穴吸收水中的電子形成氫質子和氧氣，光生電子與氫質子反應形成氫氣。光解水過程也可以逆轉，使用燃料電池將氫氣和氧氣結合在一起或「重新組合」，用於為電子設備供電。重組過程僅形成水，意味著水也可以再循環，這是長途太空旅行的關鍵。

研究人員在 120米落塔上創造了類似微重力的環境，並成功地證明在微重力環境中光解水是可能的。然而，當水被裂解產生氣體時形成氣泡，如何從催化劑材料中除去氣泡至關重要，因為氣泡會阻礙氣體的進一步產生。在地球上，重力使氣泡自動浮到表面以釋放催化劑表面空間，利於產生下一個氣泡。在零重力下，氣泡將保留在催化劑表面或附近。於是，科學家通過創建金字塔形區域來調整催化劑中納米級特徵的形狀，使氣泡可以容易地脫離並漂浮到介質中。但問題的關鍵是在沒有重力的情況下，即使氣泡已經被迫遠離催化劑本身，但仍會留在液體中。

重力允許氣體輕易地從液體中逸出，這對於使用純氫氣和氧氣是至關重要的。沒有重力的存在，沒有氣泡漂浮到表面並與混合物分離，相反所有的氣體都是用來產生泡沫的，進而阻斷催化劑或電極的反應，顯著降低催化過程的效率。

圍繞這個問題的工程解決方案將是成功實現空間技術的關鍵。目前，較為可行的一種方案是利用人造重力將氣體從溶液中分離出來。產生人工重力的常用方法就是通過太空船整體或局部的旋轉，使得太空船的乘員感受到離心力，從而模擬重力的效果。但當前的人工重力技術尚未達到實際應用的水平。順便一提，當前大多數科幻片中演繹的人工重力模式暫時沒有什麼理論基礎，現在及近未來的時間裡只有一種實現方法，就是依靠旋轉的向心力來替代重力，像1968年的科幻電影《2001太空漫遊》的巨大輪盤形太空站所展現的人工重力方式。那種不靠向心力的人工重力暫時還沒辦法實現，因為人類對引力的認知還很有限。

無論如何，未來充滿著未知，這項新的研究無疑讓我們距離長期太空飛行更近了一步！

參考文獻：Efficient solar hydrogen generation in microgravity environment，Nature Communications，2018，volume 9，Article number：2527.

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