用磁铁来吸吸氧

　　在地球陆地上，我们轻轻地吸入一次空气就能满足获取氧气的需求，但是一旦离开地球，这个需求就很难得到满足，现在，磁铁也许能帮上忙。

　　氧气也喜欢磁铁

　　在一锅沸腾的汤中投入一个条形磁铁，你能看到一个神奇的现象：一些气泡向磁铁N极聚集，另一些气泡则蜂拥向磁铁S极。100多年前，著名物理学家法拉第就已经发现了这个现象，他的实验更加严谨一些：当时他将一些氧气和氮气分别填充到肥皂泡里，让它们漂浮在空中，然后往其中放置了一个巨大的磁铁，结果发现，氧气气泡往磁铁一端移动，而氮气气泡则聚集到另一端。这显然不是巧合，氧气和氮气确实会被磁铁吸附，但是这是为什么呢?

　　在我们的固有印象中，似乎只有金属会被磁铁吸引，但其实许多物质都有亲近磁铁的性质。磁铁的磁性属于四大基本力之一，本质是电子运动产生的“电场力”。原子的组成包括原子核和电子，电子依照固定的轨道围绕原子核运动，其运动会产生电场和相应的电场力。磁铁的成分是铁、钴、镍等，其原子的内部结构比较特殊，电子所产生的电场力对外作用更加明显，就表现出了能吸引其它物体的磁性。

　　科学家发现，磁铁的这种磁性对具有不成对电子的分子作用显著，当这种分子身处外加磁场中时，其内部电子必须沿磁场方向排列，并向磁铁靠近，这种性质叫顺磁性。不成对电子就是单身电子的意思，也就是在分子轨道中形单影只、没有形成电子对的电子。

　　按照分子轨道理论，氧气分子具有两个落单的电子，因此它具有顺磁性，各种金属氧化物和非金属氧化物也具有顺磁性。当有磁铁出现时，氧气就会自发聚集到磁铁周围，磁铁磁性越强，这种现象越明显。

　　难舍难分的氧气与水

　　在地球上，氧气的顺磁性似乎没有用武之地，除了进行一些稀奇的演示实验。但是，在太空中，氧气的这种特性却可能发挥巨大作用——比如，用磁铁将氧气从水中吸出来。

　　众所周知，太空是一个真空环境，而许多人类已经探测过的星球都是缺氧的，如果未来人类不得不移民外星球，缺氧会是一个巨大的阻碍。使用电解法从氧化物中获取氧气是现在最常提及的外星球造氧法，其中电解水又是最常见的。火星、月球这两个现在看来最具备移民潜力的外星球已被探明拥有一些地下水和冷冻水，通过电解，我们不仅能获取氧气，还能收获可以做燃料的氢气。

　　可是，在地球上很普通的电解水实验，在外星球上进行起来，也遇到了不小的挑战。在地球上打开一罐可乐，我们会看到密密麻麻的气泡争先恐后从底部升起，“噼啪”炸裂，但在国际空间站上打开同样的一罐可乐，这种现象却不会发生。这是因为在地球上，液体比气体密度大，在地球重力的影响下，可乐会往下沉，其中的气泡自然地与可乐分离开来并漂浮到液体的上部。而在国际空间站上，微重力环境会产生持续的自由落体效应并消除浮力效应，气泡不再会与可乐分离和上浮，而是悬浮在可乐中，两者会变得更加难舍难分。月球重力是地球的六分之一，火星重力约为地球的五分之二，在月球和火星上打开可乐，气泡也很难冒出来。由于相同的原因，我们就算用电力将氧气从水分子中剥离出来，它们也很难像在地球上那样，自发地与液态水分离。

　　这种情况下，我们该如何将它们分开呢?离心机是一种常用的方法，在离心力的作用下，密度不同的物质能被分离开来。不过，离心机构造复杂，规模巨大，当气体与液体分离开后，将氧气和氢气分开又是一项额外的工作，在外星球使用离心机性价比不太高。这时候，科学家想到了氧气的顺磁性。

　　用磁铁从水中吸氧

　　用磁铁吸氧是一个绝妙的主意，不仅因为磁铁是天然存在的物质，不需要额外的制造成本，而且，在遇到磁铁时，氧气和氢气的表现截然相反：氧气是顺磁性的，它们会吸附在磁铁周围，氢气则是反磁性的，它们会远离磁铁。那么，用磁铁吸氧是否可行呢?

　　最近，美国佐治亚理工学院的航天科学家阿尔瓦罗·罗梅罗-卡尔沃用实验证明了这个想法的可行性。在德国的应用空间技术和微重力中心，有一个著名的模拟微重力的设施——不来梅落塔，这是一个146米高的科学设施，可以让一个防震舱垂直坠落到地面，以创造一个持续9.2秒的微重力环境。研究人员将氧气气泡和不同的溶液相混合，然后将它们放置到防震舱中，防震舱的内壁上安装有目前人类能够制造的磁性最强的磁铁——钕磁铁，当防震舱落到底部时，研究人员会观察气泡与溶液的分离情况。结果显示，钕磁铁确实能在微重力环境中将氧气从溶液中分离出来。

　　此外，研究人员发现，他们测试的各种水溶液(如纯净水和橄榄油)本身也具有微弱的磁性，在微重力环境下，这种磁性表现得更明显。这意味着，用磁铁分离不同的气体是可以实现的，而且，通过容器收集或输送空气会变得更容易。研究人员表示，除了用于为航天机组人员制造充足的氧气外，开发微重力磁相分离器还可以带来更可靠、更轻便的空间系统，例如更好的推进剂管理装置或废水回收技术。下一步，研究团队计划在国际空间站中进行实际测试，以验证他们的想法。

　　仅仅是使用磁铁——这一人们司空见惯的物品，未来的人类移民就能在太空中呼吸到更充足、更廉价的氧气，甚至还可能开发出更好的太空设备。我们永远不知道那些看上去风牛马不相及的东西会碰撞出怎样的火花，这不正是科学的魅力所在吗?