給遠距離太空旅行帶來了希望！科學家在失重狀態下從水中製造氧氣

太空機構和私人公司已經有了在未來幾年內將人類送上火星的先進計劃——最終將其殖民化。隨著圍繞附近恆星的類地行星越來越多的發現，長途太空旅行似乎從未如此令人興奮過。

然而，人類要在太空中生存很不容易。長距離太空飛行的主要挑戰之一是運送足夠的氧氣供宇航員呼吸和足夠的燃料為複雜的電子設備提供動力。遺憾的是，太空中只有很少的氧氣，而且距離太遠，很難快速補充。

但現在，發表在《自然通訊》雜誌上的一項新研究表明，利用半導體材料和在失重狀態下的太陽光(或星光)，僅從水中產生氫氣(用於燃料)和氧氣(用於生命)是可能的，這使得持續的太空旅行成為可能。

美國宇航局宇航員凱特·魯賓斯在國際空間站上使用氮氣/氧氣補給系統。這些油箱被設計成插入空間站現有的空氣供應網路，以補充機組人員的可呼吸空氣供應。

利用太陽的無限資源為我們的日常生活提供能源是地球上最大的挑戰之一。隨著我們逐漸從石油轉向可再生能源，研究人員對使用氫氣作為燃料的可能性很感興趣。最好的方法是將水(H2O)分解成氫和氧的成分。這可以通過電解過程來實現，電解過程包括通過含有可溶性電解質的水樣電流。這將水分解成氧和氫，然後在兩個電極上分別釋放。

雖然這種方法在技術上是可行的，但由於我們需要更多與氫相關的基礎設施，如氫補給站，以擴大其規模，這種方法在地球上還沒有普及。

太陽能

以這種方式從水中產生的氫和氧也可以作為航天器的燃料。實際上，用水發射火箭要比在船上用額外的火箭燃料和氧氣發射安全得多。一旦進入太空，特殊的技術可以將水分解成氫氣和氧氣，而氫氣和氧氣反過來可以用來維持生命或通過燃料電池為電子設備提供動力。

這樣做有兩種選擇。一種是電解，就像我們在地球上做的那樣，使用電解液和太陽能電池來捕捉陽光，並將其轉換成電流。

另一種方法是使用「光催化劑」，這種催化劑通過將光粒子——光子——吸收到插入水中的半導體材料中來工作。光子的能量被材料中的一個電子吸收，然後電子跳躍，留下一個洞。自由電子能與水中的質子(組成原子核的質子和中子)發生反應形成氫。同時，黑洞可以從水中吸收電子，形成質子和氧氣。

這個過程也可以逆轉。氫和氧可以結合在一起，或者「重組」，使用燃料電池返回「光催化」所吸收的太陽能，這種能源可以用來為電子設備提供動力。重組只形成水作為產品-意味著水也可以循環使用。這是長途太空旅行的關鍵。

使用光觸媒是太空旅行的最佳選擇，因為這種設備的重量遠遠低於電解所需的重量。從理論上講，它應該很容易工作。這在一定程度上是因為，如果地球大氣層在到達地表的過程中沒有吸收大量的陽光，那麼太陽光的強度就會高得多。

泡沫管理

在這項新的研究中，研究人員將光催化的完整實驗裝置放置在一個120米高的塔中，創造了一個類似於微重力的環境。當物體以自由下落的方式向地球加速時，重力的影響會減小，因為重力所施加的力會被由於加速度而產生的相等和相反的力所抵消。這與宇航員和戰鬥機飛行員在飛機上加速時所感受到的G力相反。

研究人員成功地證明了在這種環境下確實有可能分裂水。然而，當水分裂形成氣體時，氣泡就形成了。一旦催化劑材料形成，消除氣泡是很重要的——氣泡阻礙了氣體的生成過程。在地球上，重力會使氣泡自動浮到表面(接近表面的水比氣泡密度大，所以它們容易堆積)——釋放催化劑上的空間，讓下一個氣泡產生。

在零重力的情況下，這是不可能的，氣泡將保持在或接近催化劑。然而，科學家們調整了催化劑納米尺度特徵的形狀，創造了金字塔形狀的區域，在那裡氣泡很容易從頂端脫離並漂浮到介質中。

但問題依然存在。在沒有重力的情況下，氣泡將留在液體中——即使它們已經被迫遠離催化劑本身。重力使氣體很容易從液體中逸出，這對純氫和純氧的利用至關重要。在沒有重力的情況下，沒有氣泡浮到表面並從混合物中分離出來——相反，所有的氣體都留下來形成泡沫。

這就通過阻斷催化劑或電極而大大降低了過程的效率。圍繞這個問題的工程解決方案將是在太空中成功實現技術的關鍵——一種可能性是利用航天器旋轉產生的離心力將氣體從解決方案中分離出來。

然而，多虧了這項新研究，我們離人類長期太空飛行又近了一步。

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