在零重力条件下将水转化为氧气可能意味着更容易前往火星

各航天机构和私营公司已制定了在未来几年内将人类送上火星并最终在那里建立定居点的高级计划。随着越来越多的类地行星在邻近恒星周围被发现，长距离太空旅行似乎从未如此令人兴奋。然而，人类要在太空中长期生存并不容易。长距离太空飞行的主要挑战之一是运输足够的氧气供宇航员呼吸，以及足够的燃料为复杂的电子设备供电。遗憾的是，太空中可用的氧气很少，而且距离遥远，很难快速补充氧气。但现在一项发表在《自然通讯》上的新研究表明，在零重力条件下，仅使用半导体材料和阳光（或星光）就可以从水中生产出氢气（用于燃料）和氧气（用于生命）——这使得持续太空旅行成为现实。

利用无限的太阳能为我们的日常生活提供能源是地球上最大的挑战之一。随着我们逐渐从石油转向可再生能源，研究人员对使用氢气作为燃料的可能性很感兴趣。最好的方法是将水（H ₂ O）分解成其成分：氢和氧。这可以通过一种称为电解的过程来实现，该过程涉及将电流通过含有一些可溶性电解质的水样。这会将水分解成氧气和氢气，它们分别在两个电极上释放。

虽然这种方法在技术上是可行的，但它尚未在地球上轻易实现，因为我们需要更多与氢相关的基础设施，例如氢气加气站，来扩大规模。

太阳能

以这种方式从水中产生的氢和氧也可以用作航天器的燃料。​​用水发射火箭实际上比在火箭上装载额外的火箭燃料和氧气发射要安全得多，因为后者可能会爆炸。一旦进入太空，特殊技术就可以将水分解成氢和氧，进而可以用来维持生命或通过燃料电池为电子设备供电。

实现这一目标有两种选择。一种是像我们在地球上所做的那样进行电解，使用电解质和太阳能电池捕获阳光并将其转化为电流。

另一种方法是使用“光催化剂”，其工作原理是将光粒子（光子）吸收到插入水中的半导体材料中。光子的能量被材料中的电子吸收，然后电子跃迁，留下一个空穴。自由电子可以与水中的质子（与中子一起构成原子核）发生反应形成氢。同时，空穴可以吸收水中的电子形成质子和氧气。

这一过程也可以逆转。氢和氧可以结合在一起，或者使用燃料电池“重新结合”，燃料电池将“光催化”吸收的太阳能返回——这种能量可以用来为电子设备供电。重新结合只会形成水——这意味着水也可以回收利用。这是长距离太空旅行的关键。

使用光催化剂的工艺是太空旅行的最佳选择，因为设备重量比电解所需的设备轻得多。理论上，它应该很容易工作。部分原因是阳光的强度要高得多，而地球大气层在到达地表的途中不会吸收大量阳光。

泡沫管理

在这项新研究中，研究人员将整个光催化实验装置从一座 120 米高的落塔上扔下，创造了一个类似于微重力的环境。当物体以自由落体的方式加速向地球落下时，重力的影响会减小，因为重力产生的力会被加速度产生的相等且相反的力抵消。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机上加速时所经历的 G 力相反。

研究人员成功证明，在这种环境下确实可以分解水。然而，在水分解产生气体的过程中，会产生气泡。一旦催化剂材料中形成气泡，去除气泡就很重要——气泡会阻碍气体的产生。在地球上，重力会使气泡自动浮到表面（表面附近的水比气泡密度大，这使气泡具有浮力）——从而释放催化剂上的空间，以便产生下一个气泡。

在零重力下，这是不可能的，气泡会停留在催化剂上或附近。然而，科学家们调整了催化剂中纳米级特征的形状，创造了金字塔形区域，气泡可以轻松地从尖端脱离并漂浮到介质中。

但还有一个问题。在没有重力的情况下，气泡会留在液体中——即使它们被迫离开催化剂本身。重力使气体很容易从液体中逸出，这对于使用纯氢和纯氧至关重要。没有重力，没有气泡浮到表面并与混合物分离——相反，所有气体都会残留下来形成泡沫。

这会阻塞催化剂或电极，从而大大降低工艺效率。解决这一问题的工程解决方案将是成功在太空实施该技术的关键——其中一种可能性是利用航天器旋转产生的离心力将气体与溶液分离。

尽管如此，由于这项新的研究，我们距离载人长期太空飞行又近了一步。

查尔斯·W·邓尼尔 (Charles W. Dunnill) 是斯旺西大学能源专业高级讲师。本文最初发表于 The Conversation。