太空旅行中如何获得氧气，科学家已着手实践

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太空旅行如何获得氧气，科学家已着手实践

艺术家对火星人工重力转移飞行器的渲染。

太空机构和私人公司已经有了在未来几年内将人类送上火星的先进计划——最终将其殖民化。随着越来越多的类地行星围绕着附近的恒星，长途太空旅行似乎从未像现在这样令人兴奋。

然而，对于人类来说，在太空中生存是不容易的。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，并为复杂的电子设备提供足够的燃料。遗憾的是，太空中只有很少的氧气，而且距离很遥远，所以很难快速地补充氧气。

但是现在，发表在自然通讯上的一项新研究表明，在零重力环境下，利用半导体材料和阳光（或星光）来制造氢（用于燃料）和氧气（生命）是可能的，这使得持续的太空旅行成为可能。

美国国家航空航天局宇航员凯特。鲁宾斯在国际空间站上与一个氮/氧补给系统燃料箱一起工作。这些坦克被设计成可以插入空间站现有的空气供应网络，以补充机组人员的可呼吸的空气供应。

来源:美国国家航空航天局

利用太阳的无限资源来为我们的日常生活提供动力是地球上最大的挑战之一。当我们慢慢地从石油转向可再生能源时，研究人员对使用氢作为燃料的可能性感兴趣。最好的方法是将水（H2O）分解成它的组成成分：氢和氧。这是可能的，使用一种叫做电解的过程，它包括通过含有一些可溶性电解质的水样来运行电流。这将把水分解成氧和氢，这两个电极分别在两个电极上分开释放。

虽然这种方法在技术上是可行的，但它还没有在地球上轻易获得，因为我们需要更多的氢相关的基础设施，如氢气补给站，来扩大它的规模。

照片催化剂从水中生成氢气。来源：o.Usher（UCL地图）/Flickr，CC by sa。

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上的燃料。发射一枚带有水的火箭实际上比用额外的火箭燃料和氧气发射火箭要安全得多，这可能是爆炸性的。一旦进入太空，特殊的技术就可以将水分解成氢和氧，进而可以用来维持生命，或者通过燃料电池为电子设备供电。

这样做有两种选择。一种是像我们在地球上做的那样，使用电解液和太阳能电池来捕捉阳光并将其转化为电流。

另一种方法是使用“照片催化剂”，它通过吸收光粒子——光子——进入插入水中的半导体材料。光子的能量被电子中的一个电子吸收，然后跳跃，留下一个洞。自由电子可以与水中的质子（组成原子核和中子）发生反应，形成氢。同时，这个孔可以从水中吸收电子，形成质子和氧气。

这个过程也可以被逆转。氢和氧可以结合在一起，或者“重新组合”，利用一个燃料电池，返回由“光催化”所吸收的太阳能——可以用来驱动电子设备的能量。重组只形成水作为一种产品——这意味着水也可以被循环利用。这是长途太空旅行的关键。

使用照片催化剂的过程是空间旅行的最佳选择，因为设备的重量比电解所需的要轻得多。从理论上讲，它应该很容易工作。这在一定程度上是因为阳光的强度要高得多，而地球的大气层在到达地表的过程中吸收了大量的阳光。

位于应用空间技术和微重力中心的落塔——不莱梅大学，来源：污泥/flickr，CC by sa

泡沫管理

在这项新研究中，研究人员放弃了光催化的完整实验装置，在一个120米的下降塔上，创造了一个类似于微重力的环境。当物体在自由落体过程中加速向地球加速时，重力的作用就会随着重力的作用而减弱，因为加速度是相等的和相反的力。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机上加速时所经历的G力是相反的。

研究人员成功地证明了在这种环境下分解水是可能的。然而，当水被分解成气体时，气泡就形成了。从催化剂材料中去除气泡是很重要的——气泡阻碍了产生气体的过程。在地球上，重力使气泡自动浮在水面上（表面附近的水比气泡的密度更大，这使得它们成为buyonant）——释放出催化剂的空间，从而产生下一个气泡。

在零重力条件下，这是不可能的，气泡将保持在催化剂的位置或接近催化剂的位置。然而，科学家们通过创造金字塔形状的区域来调整催化剂的纳米尺度特征，在这种区域中，气泡可以很容易地脱离尖端，漂浮到介质中。

但一个问题仍然存在。在没有重力的情况下，气泡会留在液体中——尽管它们已经被从催化剂本身中分离出来了。重力允许气体轻易地从液体中逸出，这对于使用纯氢和氧是至关重要的。如果没有重力的存在，没有气泡浮在水面上，并与混合物分开——相反，所有的气体都是用来制造泡沫的。

通过阻断催化剂或电极，这就大大降低了过程的效率。围绕这一问题的工程解决方案将是成功实现太空技术的关键——有一种可能是使用离心力从航天器的旋转中分离出气体和溶液。

然而，由于这项新研究，我们离长期的人类太空飞行更近了一步。

本文选自：今日头条