太空机构和私营公司已经制定了在未来几年将人类送往火星的详细计划——并最终在那里建立定居点。随着对附近恒星周围类地行星的发现越来越多，长途太空旅行从未显得如此令人兴奋。然而，人类很难在太空中长期生存。长途太空飞行的主要挑战之一是运输足够的氧气供宇航员呼吸，以及足够的燃料来为复杂的电子设备提供动力。可悲的是，太空中只有很少的氧气，而且遥远的距离使得快速补充变得困难。但现在，《自然·通讯》上的一项新研究表明，在零重力环境下，仅使用半导体材料和阳光（或星光）就可以从水中生产氢气（用于燃料）和氧气（用于生命）——这使得长期太空旅行成为一种真正的可能性。
利用太阳的无限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。随着我们正缓慢地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很感兴趣。做到这一点最好的方法是将其分解为组成部分：氢气和氧气（H 2 O）。这可以通过称为电解的过程来实现，该过程涉及将电流通过含有某些可溶性电解质的水样品。这会将水分解成氧气和氢气，它们在两个电极上分别释放出来。
虽然这种方法在技术上是可行的，但它尚未在地球上得到广泛应用，因为我们需要更多的氢气相关基础设施，例如氢气加气站，来扩大规模。
太阳能
以这种方式从水中产生的氢气和氧气也可以用作航天器的燃料。实际上，用携带水的火箭发射比携带额外的易爆火箭燃料和氧气在船上发射要安全得多。一旦进入太空，特殊技术就可以将水分解成氢气和氧气，然后可以通过燃料电池来维持生命或为电子设备供电。
有两种选择可以做到这一点。一种是像我们在地球上那样进行电解，使用电解质和太阳能电池来捕获阳光并将其转化为电流。
另一种选择是使用“光催化剂”，它们通过将光粒子——光子——吸收到插入水中的半导体材料中来工作。光子的能量被材料中的电子吸收，然后电子跳跃，留下一个空穴。自由电子可以与水中的质子（构成原子核以及中子）反应生成氢气。同时，空穴可以吸收水中的电子形成质子和氧气。
这个过程也可以逆转。氢气和氧气可以被“重组”在一起，使用燃料电池将“光催化”所吸收的太阳能——这些能量可以用来为电子设备供电。重组后只生成水作为产物——这意味着水也可以回收利用。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，因为设备比电解所需的设备轻得多。理论上，它应该很容易奏效。部分原因是，在地球大气层吸收大量阳光到达地表之前，阳光的强度要高得多。
气泡管理
在新研究中，研究人员将完整的光催化实验装置放入一个120米的落塔中，创造了一个类似微重力的环境。当物体在自由落体中加速坠向地球时，重力的影响会减弱，因为重力施加的力会被加速度产生的反作用力抵消。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机加速时所经历的 G 力相反。
研究人员成功地证明，在该环境中确实可以将水分解。然而，当水分解产生气体时，会形成气泡。一旦形成，及时清除催化剂材料上的气泡非常重要——气泡会阻碍气体的产生。在地球上，重力使气泡自动漂浮到表面（靠近水面的水比气泡密度大，这使得它们具有浮力）——从而为下一个气泡的产生腾出催化剂空间。
在零重力下，这是不可能的，气泡会留在催化剂上或附近。然而，科学家们通过创建金字塔形的区域来调整催化剂的纳米级特征的形状，气泡可以很容易地从尖端脱离并漂浮到介质中。
但还有一个问题。在没有重力的情况下，气泡会留在液体中——即使它们已经远离了催化剂本身。重力使得气体容易从液体中逸出，这对于使用纯氢和氧气至关重要。在没有重力的情况下，没有气体气泡会漂浮到表面并与混合物分离——取而代之的是所有气体都保留下来形成泡沫。
这会大大降低过程效率，因为它会堵塞催化剂或电极。围绕这个问题进行工程解决方案将是成功将技术应用于太空的关键——一种可能性是利用航天器的旋转产生的离心力将气体与溶液分离。
尽管如此，得益于这项新研究，我们离载人长期太空飞行又近了一步。
Charles W. Dunnill 是斯旺西大学能源学高级讲师。本文最初发表在The Conversation。
