太空機構和私營公司已經有了在未來幾年內將人類送往火星的先進計劃 - 最終將其殖民化。隨著越來越多的類似地球的行星和附近的恆星發現，長途太空旅行似乎從未如此令人興奮。
然而，人類想要在太空中長時間生存並不容易。長距離太空飛行的主要挑戰之一是為宇航員輸送足夠的氧氣以呼吸併為複雜的電子設備提供足夠的燃料。可悲的是，太空中只有很少的氧氣，而且由於距離很遠，很難快速補充。
但是現在發表在Nature Communications上的一項新研究表明， 在零重力的情況下，使用半導體材料和太陽光（或星光）單獨從水中生產氫氣（用於燃料）和氧氣（用於生命）是可能的。 這意味著太空旅行真的有可能做到。
利用太陽無限的資源為我們的日常生活提供動力是地球上最大的挑戰之一。隨著我們逐漸從石油轉向可再生能源，研究人員對使用氫氣作為燃料的可能性非常感興趣。最好的方法是將水（H2O）分解成其成分：氫和氧。這可以使用稱為電解的方法，其包括使電流流過含有一些可溶性電解質的水樣 。這將使得水分解成氧氣和氫氣，然後在兩個電極處分別釋放。
- 太陽能
以這種方式從水中產生的氫和氧也可以用作航天器上的燃料。用水發射火箭實際上比在船上發射額外的火箭燃料和氧氣更安全，這可能是爆炸性的。一旦進入太空，特殊技術可以將水分解為氫氣和氧氣，這反過來可以用來維持生命或通過燃料電池為電子設備供電 。
這樣做有兩種選擇。一個涉及電解，就像我們在地球上一樣，使用電解質和太陽能電池來捕獲陽光並將其轉換成電流。
替代方案是使用 “光催化劑”，其通過將光粒子 - 光子吸收到插入水中的半導體材料中起作用。光子的能量被材料中的電子吸收，然後跳躍，留下一個洞。自由電子可以與水中的質子（與中子一起構成原子核）反應形成氫。同時，該孔可以吸收水中的電子，形成質子和氧。
這個過程也可以逆轉。可以使用燃料電池將氫氣和氧氣結合在一起或“重新結合”，所述燃料電池返回通過“光催化”能量吸收的太陽能，所述能量可以用於為電子設備供電。重組僅形成水作為產品 - 意味著水也可以再循環。這是長途太空旅行的至關重要的關鍵。
使用光催化劑的工藝是太空旅行的最佳選擇，因為設備的重量遠遠低於電解所需的設備。從理論上講，它應該很容易。這部分是因為太陽光的強度要高得多，而通過地球的大氣層到達地表時會被大量吸收。
- 泡泡管理
在這項新的研究中，研究人員放棄了完整的光催化實驗設置，在120米的落塔上，創造了類似於微重力的環境。當物體在自由落體中朝向地球加速時，重力的作用隨著重力施加的力由於加速而被相等且相反的力抵消而減小。這與宇航員和戰鬥機飛行員在飛機上加速時所經歷的G力相反。
研究人員設法證明在這種環境中分裂水確實是可能的。然而，當水分裂產生氣體時，會形成氣泡。一旦形成，從催化劑材料中除去氣泡是重要的 - 氣泡阻礙了產生氣體的過程。在地球上，重力使氣泡自動漂浮到表面（表面附近的水比氣泡密度更大） - 在催化劑上留出空間，以便產生下一個氣泡。
在零重力下，這是不可能的，並且氣泡將保留在催化劑上或附近。然而，科學家通過創建金字塔形區域來調整催化劑中納米級特徵的形狀，其中氣泡很容易從尖端脫離並漂浮到介質中。
但仍有一個問題。在沒有重力的情況下，氣泡將保留在液體中 - 即使它們已被迫離開催化劑本身。重力允許氣體容易地從液體中逸出，這對於使用純氫氣和氧氣是至關重要的。在沒有重力的情況下，沒有氣泡漂浮到表面並與混合物分離 - 而是保留所有氣體以產生泡沫。
這通過阻塞催化劑或電極而顯著降低了該方法的效率。圍繞這個問題的工程解決方案將是在太空中成功實施技術的關鍵 - 一種可能性是利用航天器旋轉產生的離心力將氣體與溶液分離。
儘管如此，由於這項新的研究，使我們更接近長期太空飛行的偉大目標。
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