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太空机构和私人公司计划在未来几年送人类上火星，甚至最终实现向其移民。随然而，人类要在太空中长时间生存并不容易。长距离太空飞行的一大难题是如何产生足够的氧气供宇航员呼吸，以及如何为复杂的电子设备供能。遗憾的是，太空中可供使用的氧气很少，超长的距离又使得为其补充氧气极其困难。
但是现在，发表在《自然通讯》上的一项新研究表明，半导体材料在阳光和零重力条件下有可能仅用水就生产氢(供能)和氧(供氧)，这将使长距离太空旅行有望成真。
如何利用无限的太阳能资源为我们的日常生活供能是现如今最大的挑战之一。随着我们慢慢从石油能源转向可再生能源，研究人员对利用氢燃料供能很感兴趣。最好的方法是把水分解成它的两个组成部分：氢和氧。这可以通过电解的方法来实现，这种方法使电流通过含有可溶性电解质的水样，同时将水电解成氧和氢，分别在两个电极上释放。
虽然这种方法在技术上可行，但它尚未在地球上普及，因为我们需要大量氢能基础设施，比如氢补给站，来扩大它的规模。
太阳能
利用太阳能从水中产生氢和氧可以做为航天器的燃料。事实上，用水发射火箭要比用额外的火箭燃料和氧气发射火箭安全得多，因为后者可能会发生爆炸。一旦进入太空，特殊的技术将水分解成氢和氧，从而用于维持生命和作为燃料电池为电子设施供能。
现在有两种选择。一种是电解，就像我们在地球上做的一样，使用电解质和太阳能电池来获得光能，并将其转化为电流。另一种选择是使用“光催化剂”，它能将光粒子(光子)吸入水中的半导体材料中，光子的能量被材料中的电子吸收，然后电子发生跳跃，留下一个空缺。自由电子可以与质子(和中子构成原子核的物质)在水中发生反应形成氢。同时，空缺处可以从水中吸收电子形成质子和氧气。
这个过程可以逆转。氢和氧可以通过燃料电池混合或“再结合”，将“光催化剂”吸收的太阳能转化为电能。重组后只生成了水，这意味着水也可以回收。这是长距离太空旅行的关键。因此，使用光催化剂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重量。
从理论上讲，这应该很容易。太空中阳光的强度比地球要高得多，因为大部分阳光在通过地球大气层到达地面时会被吸收掉。
气泡管理
在这项新的研究中，研究人员将光催化的整个实验装置从一个120米高的塔上抛下，创造了一个类微重力的环境。当物体以自由落体的方式向地球加速时，重力的作用会大大减弱，因为重力所施加的力会被加速度所产生的大小相等、方向相反的力抵消。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机加速时所经历的重力相反。
研究人员成功地证明了在这种环境下有可能将水分解。然而，当水被分解成气体时，就会形成气泡。如何从催化剂材料中去除气泡是非常重要的，因为气泡会阻碍气体的生成。在地球上，重力可以使气泡自动漂浮到表面(表面附近的水比气泡密度大，这使它们更富弹性)——为催化剂腾出空间来产生下一个气泡。
在失重状态下这是不可能的，气泡会留在催化剂表面或附近。因此，科学家们调整了催化剂纳米尺度下的形状，创造了一部分金字塔区域，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，即使它们可以从催化剂中分离出来。重力存在时，气体可以轻松从液体中逸出，这一过程对于使用纯氢和纯氧是至关重要的。没有重力的存在，就不会有气泡浮到表面并从混合物中分离出来，所有的气体都变成了泡沫。
泡沫将阻塞催化剂或电极，大大降低催化效率。围绕这个问题的解决方案是在太空中成功实施技术的关键，一种可能性是利用航天器旋转产生的离心力将气体从装置中分离出来。
不过，多亏了这项新研究，我们离远距离载人航天又近了一步。
作者：Charles W. Dunnill，斯旺西大学高级能源讲师。
翻译：殷姝雅
审校：潘燕婷
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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