科學(xué)實驗，空間站Expedition Six的指揮官通過旋轉(zhuǎn)設(shè)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(yè)都定制了前往火星建立殖民地的宏偉目標(biāo)，而隨著越來越多的類地行星被發(fā)現(xiàn)，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并不友好。主要技術(shù)瓶頸之一是需要為船員提供足夠的氧氣，為設(shè)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(xiàn)在發(fā)表在Nature Communications上的一項新研究表明，使用半導(dǎo)體材料在零重力環(huán)境下借助恒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(zhuǎn)化成為我們的日常生活可用的動力，是當(dāng)今世界上最重大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。隨著我們從石化能源轉(zhuǎn)向可再生能源，研究人員對工業(yè)化產(chǎn)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(shù)，使電流流過含有一些可溶性電解質(zhì)的水。水分子分解成氧元素和氫元素，最后它們在兩個電極處被釋放出來。
雖然該方法在技術(shù)上是可行的，但當(dāng)我們推廣氫能源的時候，需要建設(shè)更多基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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，后者在操作過程中發(fā)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(zhì)和太陽能電池收集陽光并將其轉(zhuǎn)換成電流，然后用電來分解水。另一種是使用“光催化劑”。插入水中的半導(dǎo)體吸收光子，然后釋放出一個電子，留下一個“空穴”
自由電子可以與質(zhì)子(它與中子一起構(gòu)成原子核)在水中反應(yīng)形成氫。同時，半導(dǎo)體空穴可以捕獲水中的電子，形成質(zhì)子和氧。
這一過程也可以逆轉(zhuǎn)?？梢允褂萌剂想姵貙錃夂脱鯕饨Y(jié)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(yīng)的唯一產(chǎn)物，意味著整個過程可以反復(fù)循環(huán)。這才是長途太空旅行中的關(guān)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(guān)設(shè)備的重量遠遠低于電解工業(yè)所需的設(shè)備。理論上講，它應(yīng)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(xué)家放棄了光催化的完整配置，在120米的高塔上，借助降落創(chuàng)造了類似于微重力的環(huán)境。
研究人員證明了在這種環(huán)境中確實可以成功分解水。然而，當(dāng)水變成氫氣和氧氣時，產(chǎn)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——氣泡阻礙了后續(xù)的反應(yīng)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(chǎn)生下一個氣泡。
在零重力下，這是不可能的，并且氣泡將停留在催化劑上。然而，科學(xué)家想出來一個好辦法：通過創(chuàng)建一個金字塔形區(qū)域來調(diào)整催化劑中納米級特征的形態(tài)，其中氣泡可以容易地從尖端脫離并漂浮到介質(zhì)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(nèi)。最終它們和液體形成了泡沫狀的物質(zhì)，也會極大影響到催化反應(yīng)的效率。
解決這一問題將成為在太空中實施水分解的關(guān)鍵。一種容易想到的可能方法是利用航天器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)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 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。
