水与氧气使得地球独一无二（零重力环境下分解水制造氧气或成可能）

太空机构和私营公司已经制定好一番先进计划，在未来几年内将人类送往火星的，且最终将其殖民化。随着围绕附近恒星发现越来越多的类地行星，长途太空旅行似乎从未如此令人兴奋。

然而，对于脆弱的人类来说，想在太空中生存一段时间十分不易。长距离太空飞行的主要挑战之一是，为宇航员提供足够的氧气以供呼吸，以及为复杂的电子设备提供足够的燃料。可悲的是，太空中只有很少的氧气，而且距离很远，很难快速补充。

但现在发表在Nature Communications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)来制造氢气(用于燃料)和氧气(维持生命)是可能的，这使得持续的太空旅行成为可能。

利用太阳无限的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，研究人员对使用氢气作为燃料的可能性兴趣也在增加。最好的方法是将水(H2O)分解成其组成成分：氢和氧。这可以使用称为电解的方法，包括使电流流过含有一些可溶性电解质的水样。这将水分解成氧气和氢气，它们在两个电极处分别释放。

虽然这种方法在技术上是可行的，但由于我们需要更多氢气相关的基础设施，例如氢气补给站，因此它在地球上尚未变得容易获得。

图片来源：NASA

太阳能

以这种方式从水中分解出氢和氧也可以用作航天器上的燃料。发射一枚带有水的火箭实际上比带有额外火箭燃料和氧气发射火箭要安全得多，因为可能导致爆炸。一旦进入太空，特殊技术可以将水分解成氢气和氧气，这反过来又可以用来维持生命，或通过燃料电池为电子设备供电。

这样做有两种选择。一个涉及电解，就像我们在地球上一样，使用电解质和太阳能电池来捕获阳光并将其转换成电流。

替代方案是使用“光催化剂”，通过吸收光粒子 —— 光子——到插入水中的半导体材料中起作用。光子的能量被材料中的电子吸收，然后跳跃，留下一个洞。自由电子可以与质子(它与中子一起构成原子核)在水中反应形成氢。同时，该孔可以吸收水中的电子，形成质子和氧。

这个过程也可以逆转。氢气和氧气结合在一起或“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。重新组合只形成水，这意味着水也可以再循环。这是长途太空旅行的关键。

使用光催化剂的过程是太空旅行的最佳选择，因为设备的重量远远低于电解所需的设备。从理论上讲，这应该很容易。部分是因为太阳光的强度要高得多，而在通往地表时地球的大气层会大量吸收太阳光。

管理气泡

在这项新的研究中，研究人员放弃了完整的光催化实验设置，在120米的落塔上，创造了类似于微重力的环境。当物体在自由落体中向地球加速时，随着重力施加的力由于加速而被相等且相反的力抵消，重力的作用减小。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机上加速时所经历的G力相反。

研究人员设法证明在这种环境中分解水确实是可能的。然而，当水被分解以产生气体时，气泡就形成了。一旦形成，从催化剂材料中除去气泡非常重要——气泡阻碍了气体产生的过程。在地球上，重力使气泡自动漂浮到表面(表面附近的水比气泡更稠密，这使得它们有浮力) -释放出催化剂的空间，从而产生下一个气泡。

在零重力下，这是不可能的，并且气泡将保留在催化剂上或附近。然而，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，其中气泡可以容易地从尖端脱离，并漂浮到介质中。

但仍有一个问题。在没有重力的情况下，气泡将保留在液体中 —— 即使它们已被迫从催化剂中分离出来。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。在没有重力的情况下，没有气泡漂浮到表面，并与混合物分离 —— 而是保留所有气体以产生泡沫。

通过阻塞催化剂或电极，这就显著降低了该方法的效率。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，一种可能性是利用航天器旋转产生的离心力将气体从溶液中分离出来。

尽管如此，由于这项新的研究，我们距离长期人类太空飞行更近了一步。