艺术家绘制的火星人造重力转移飞行器。(图片:?NASA)
太空机构和私人公司已经制定了未来几年将人类送上火星的先进计划——最终将人类送上火星。随着越来越多的类似地球的行星在附近恒星周围被发现，远距离太空旅行似乎从未像现在这样令人兴奋过。
然而，人类要在太空中持续生存一段时间并不容易。长距离太空飞行的主要挑战之一是运送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提供动力。遗憾的是，太空中可用的氧气很少，而且距离太远，很难快速补充。[火星生活如何挑战殖民者(信息图)]
但是现在，发表在《自然通讯》上的一项新研究表明，仅用半导体材料和阳光(或星光)在零重力条件下，就可以从水中产生氢(用于燃料)和氧(用于生命)，这使得持续的太空旅行成为可能。
美国宇航局宇航员凯特·鲁宾斯在国际空间站上使用一个氮气/氧气补给系统。这些气罐被设计成插入空间站现有的空气供应 络，以补充宇航员的可呼吸空气供应。(图片:?NASA)
利用无限的太阳能资源为我们的日常生活提供动力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，研究人员对氢作为燃料的可能性很感兴趣。最好的方法是将水(H2O)分解成氢和氧。这可以通过一种被称为电解的过程来实现，该过程包括让电流通过含有某种可溶性电解质的水样。这将水分解成氧和氢，在两个电极上分别释放。
虽然这种方法在技术上是可行的，但由于我们需要更多与氢相关的基础设施，如氢补给站，来扩大它的规模，它还没有在地球上现成可用。
太阳能
以这种方式从水中产生的氢和氧也可以作为航天器的燃料。事实上，用水来发射火箭要比用额外的火箭燃料和氧气来发射火箭安全得多，因为这些燃料和氧气可能会爆炸。一旦进入太空，特殊的技术可以将水分解成氢和氧，从而可以用来维持生命或通过燃料电池为电子产品提供动力。
有两种选择。其中一个涉及到电解，就像我们在地球上所做的那样，使用电解质和太阳能电池来捕捉阳光并将其转化为电流。
光催化剂从水中产生氢气。(图片:?O. Usher (UCL MAPS)/Flickr, CC BY-SA)
另一种选择是使用“光催化剂”，它通过将光粒子(光子)吸收到插入水中的半导体材料中来工作。光子的能量被材料中的电子吸收，然后电子跳跃，留下一个洞。自由电子可以与质子(质子与中子一起构成原子核)在水中反应生成氢。同时，这个洞可以从水中吸收电子，形成质子和氧气。
这个过程也可以逆转。氢和氧可以通过燃料电池结合或“再结合”，将“光催化”吸收的太阳能转化为电能。重组只形成水作为产品-这意味着水也可以回收。这是长距离太空旅行的关键。
使用光催化剂的过程是太空旅行的最佳选择，因为该设备的重量远远小于电解所需的设备。从理论上讲，这应该很容易。这在一定程度上是因为阳光的强度要高得多，而地球大气层在进入地表的过程中并没有吸收大量的阳光。
泡沫管理
在这项新研究中，研究人员将光催化的全套实验装置从一个120米高的塔上扔下，创造了一个类似微重力的环境。当物体以自由落体的方式向地球加速时，重力的作用会减弱，因为重力所施加的力会被加速度所产生的相等或相反的力抵消。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机上加速时感受到的重力相反。
位于应用空间技术和微重力中心的降落塔。不莱梅大学。(图片:?污泥G/Flickr, CC BY-SA)
研究人员成功地证明了在这种环境下确实有可能分裂水。然而，当水被分解成气体时，就会形成气泡。从催化剂材料中去除气泡是非常重要的，因为气泡阻碍了气体的生成。在地球上，重力使气泡自动浮到表面(表面附近的水比气泡密度更大，这使它们具有粘性)——释放催化剂上的空间，从而产生下一个气泡。
在失重状态下，这是不可能的，气泡会留在催化剂上或附近。然而，科学家们调整了催化剂纳米尺度特征的形状，创造了金字塔形状的区域，在那里，气泡可以很容易地从顶端脱离，漂浮到介质中。
但仍有一个问题。在没有重力的情况下，气泡会留在液体中——即使它们已经被迫离开了催化剂本身。重力允许气体很容易地从液体中逸出，这对于使用纯氢和纯氧是至关重要的。没有重力的存在，没有气泡浮到表面并与混合物分离——相反，所有的气体都留下来形成泡沫。
通过阻塞催化剂或电极，大大降低了这一过程的效率。围绕这个问题的工程解决方案将是在太空中成功实施技术的关键——一种可能是利用航天器旋转产生的离心力将气体从解决方案中分离出来。
然而，多亏了这项新研究，我们离长时间载人航天又近了一步。
查尔斯·w·邓尼尔，斯旺西大学能源高级讲师
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