科學家發現制氧新方法！用金箔和二氧化碳就可以產生氧氣？

美國宇航局的海盜1號軌道飛行器在20世紀70年代拍攝的火星。(圖片：美國航天局/噴氣推進實驗室/ 美國地質勘探局)

科學家們發現了一種製造氧氣的新方法，未來的火星探險者或許可以利用這種方法在火星上自行製造氧氣。

火星離地球很遠，所以如果能夠在火星上製造出可呼吸的空氣的話，航天機構就可以節省從地球運送氧氣到火星所需的費用和精力。

一個研究小組通過研究彗星發現了這種新的產氧反應。這些小型冰天體大多數起源於太陽系中的一個被稱為奧爾特雲的遙遠區域，這個區域甚至比海王星的軌道還要遠得多。如果一顆彗星逐漸接近太陽，來自太陽的熱量就會開始將彗星上的冰吹進太空，這種反應將會產生延綿數千英里的彗尾。

加州帕薩迪納加州理工學院(Caltech)的一組研究人員發現了一種新的方法來解釋彗星如何產生分子氧。(兩個氧原子結合在一起就可以形成一個氧分子，氧分子集合起來就可以形成可呼吸的空氣。)

一種已知的方法是利用動能。彗星的升華過程包含很多反應，太陽風(不斷從太陽散發出的粒子流)可以以高速將漂浮的水分子推進彗星的表面，如果彗星表面有含氧化合物的話，傾斜的水分子會把含氧化合物的氧原子扯下來，從而產生分子氧。

研究小組發現，分子氧也可以通過二氧化碳反應產生。(二氧化碳含有一個碳原子和兩個氧原子。)前加州理工學院博士後Yunxi Yao和現任加州理工學院化學工程教授康斯坦蒂諾斯·賈皮斯(Konstantinos Giapis)通過使用二氧化碳撞擊金箔來模擬了這種反應。由於金箔不能被氧化，它本身不應該產生任何分子氧，但當二氧化碳以高速傾斜進入金屬箔時，金箔表面會釋放出分子氧。

加州理工學院的代表在一份聲明中說：「這意味著這兩個氧原子來自同一個二氧化碳分子，它們以一種不同尋常的方式被有效地分裂了出來。」

為了更好地理解二氧化碳如何分解出分子氧，加州理工學院的化學教授湯姆·米勒和博士後菲利普·舒什科夫創建了一個計算機模擬程序。

研究人員說，建立反應模型的一個挑戰是這些反應分子非常地「興奮」，這意味著它們正在以一種複雜的方式振動和旋轉。

米勒在聲明中說：「一般來說，激發態分子會導致不尋常的化學反應，所以我們先從激發態分子開始模擬，但令我們驚訝的是，激發態並沒有產生分子氧，相反，這種分子分解成了其他產物。」

科學家們發現，在不刺激二氧化碳的情況下，二氧化碳可以生成極端「彎曲」的二氧化碳分子——那些具有不尋常幾何形狀的分子，這反而可以產生氧氣。

當Yao和賈皮斯把二氧化碳分子擊向金箔時，他們互給單個的二氧化碳分子充電，然後用電場對它們進行加速。然而，賈皮斯說，這個反應也可能以較慢的速度進行，這可以解釋為什麼火星高層大氣中有一些氧氣在漂浮。

他在聲明中說：「如果你可以以足夠的速度向一些二氧化碳氣體扔出一塊石頭，你也可以達到同樣的效果，不過石頭的速度必須與彗星或小行星在太空中的速度相當。」

此前，科學家們認為火星大氣中的低濃度氧氣可能是由太陽紫外線照射到火星大氣中的二氧化碳分子後產生的。然而，賈皮斯的理論認為，火星上的氧氣也可以在加速塵埃粒子高速撞擊大氣二氧化碳分子時產生。

賈皮斯使用的反應堆產量非常低，每100個通過加速器的二氧化碳分子才會產生一兩個氧分子。然而，賈皮斯說，也許有一天他的反應堆經過改造之後將可以為火星上的宇航員創造可呼吸的空氣。在地球上，這個反應堆可能有助於將二氧化碳(一種強大的溫室氣體，也是全球變暖的主要驅動力)從大氣中提取出來，並將其轉化為氧氣。

他說：「這是裝置的最終版本嗎?不是。它能夠解決關於火星的問題嗎?不能，但它是一種可以做一些非常困難的事情的設備，我們正在用這個反應堆做一些瘋狂的事情。」

Yao領導了一篇基於這項研究的論文，並於上周發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上。

此外，美國宇航局即將在火星上進行一次產氧技術的測試。一個名為「MOXIE」(Mars Oxygen In situ resource utilization Experiment, 火星氧氣就地資源利用實驗)的技術演示器將搭載該機構的2020火星漫遊車升空，該漫遊車計劃於明年夏天發射，並於2021年2月登陸火星。MOXIE將用電化學方法分解火星大氣中的二氧化碳，美國宇航局想看看這種方法製造的氧氣是否可以擴大到支持人類在火星上的活動。

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