美德科学家攻克太空光解水难题，配合人造旋转重力或成功登陆火星

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随着人类科学技术水平的不断提升，近年来越来越多的类地行星被发现，意味着长途太空旅行离我们更近了一步，令人兴奋不已。许多空间机构和私人公司已经有了在未来数年内将人类送上火星的计划。

然而，对于人类来说在太空中生存较长一段时间并不容易。目前，长距离的太空旅行所面临的主要挑战之一是如何为宇航员提供足够的氧气，并提供足够的燃料为复杂的电子设备提供动力。近日，发表在Nature Communications上的一项最新研究表明，美德科学家利用半导体材料和太阳光（或其他星光）在零重力下即可从水中生产氢气（燃料）和氧气（生命），从而使长期太空旅行成为可能。

实际上，在飞船上生产火箭燃料和水比发射额外供给的火箭燃料和氧气更安全，因为燃料和氧气极有可能引发爆炸。一旦进入太空，利用特殊技术将水分解成氢气和氧气，从而可以用来维持生命或通过燃料电池为电子设备供电。水分解产生氢气和氧气的方法包括电解水和光解水两种。使用光催化剂技术是太空旅行的最佳选择，这不仅因为光催化设备重量远远低于电解所需设备的重量，而且太空中高强度太阳光使得光解水更易进行。

光催化剂（半导体材料）吸收光子后电子从价带跃迁至导带，产生光生电子和空穴，空穴吸收水中的电子形成氢质子和氧气，光生电子与氢质子反应形成氢气。光解水过程也可以逆转，使用燃料电池将氢气和氧气结合在一起或“重新组合”，用于为电子设备供电。重组过程仅形成水，意味着水也可以再循环，这是长途太空旅行的关键。

研究人员在 120米落塔上创造了类似微重力的环境，并成功地证明在微重力环境中光解水是可能的。然而，当水被裂解产生气体时形成气泡，如何从催化剂材料中除去气泡至关重要，因为气泡会阻碍气体的进一步产生。在地球上，重力使气泡自动浮到表面以释放催化剂表面空间，利于产生下一个气泡。在零重力下，气泡将保留在催化剂表面或附近。于是，科学家通过创建金字塔形区域来调整催化剂中纳米级特征的形状，使气泡可以容易地脱离并漂浮到介质中。但问题的关键是在没有重力的情况下，即使气泡已经被迫远离催化剂本身，但仍会留在液体中。

重力允许气体轻易地从液体中逸出，这对于使用纯氢气和氧气是至关重要的。没有重力的存在，没有气泡漂浮到表面并与混合物分离，相反所有的气体都是用来产生泡沫的，进而阻断催化剂或电极的反应，显著降低催化过程的效率。

围绕这个问题的工程解决方案将是成功实现空间技术的关键。目前，较为可行的一种方案是利用航天器旋转离心产生的离心力将气体从溶液中分离出来。无论如何，未来充满着未知，这项新的研究无疑让我们距离长期太空飞行更近了一步！

参考文献：Efficient solar hydrogen generation in microgravity environment，Nature Communications，2018，volume 9，Article number：2527.