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科学家改进从水中制造氧气的方法,为长途太空旅行带来了希望 ...

2018-10-30 18:17| 发布者: 看世人| 查看: 78| 评论: 0

摘要: 太空机构和私人公司已经有了在未来几年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在附近的恒星周围发现,长途太空旅行似乎从未如此令人兴奋。然而,人类在太空中存活很长的时间并不容易。 ...
科学家改进从水中制造氧气的方法,为长途太空旅行带来了希望

太空机构和私人公司已经有了在未来几年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在附近的恒星周围发现,长途太空旅行似乎从未如此令人兴奋。

然而,人类在太空中存活很长的时间并不容易。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,以及足够的燃料为复杂的电子设备提供动力。遗憾的是,太空中可用的氧气很少,而且距离太远,很难进行快速的补充。

但是现在发表在《自然通讯》上的一项新研究表明,利用半导体材料和在失重状态下的阳光(或星光),仅靠水就可以产生氢(用于燃料)和氧(用于生命)——使持续的太空旅行成为可能。

科学家改进从水中制造氧气的方法,为长途太空旅行带来了希望

美国宇航局宇航员凯特·鲁宾斯在国际空间站上使用氮气/氧气补给系统。这些油箱被设计成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空气供应。

利用无界的太阳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,研究人员对氢作为燃料的可能性很感兴趣。最好的办法是将水(H2O)分解成氢和氧。这是有可能的,使用一种叫做电解的过程,它涉及在含有可溶性电解质的水样中运行电流。这将水分解成氧和氢,在两个电极上分别释放。

虽然这种方法在技术上是可行的,但由于我们需要更多与氢有关的基础设施,如氢再充电站,以扩大它的规模,它还没有在地球上变得容易获得。

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的燃料。事实上,用水发射火箭要比用火箭燃料和氧气发射火箭安全得多,因为火箭可能会爆炸。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通过燃料电池来发电。

有两个选择。一种是电解,就像我们在地球上做的那样,利用电解液和太阳能电池捕捉阳光并将其转化为电流。

科学家改进从水中制造氧气的方法,为长途太空旅行带来了希望

光催化剂从水中产生氢气

另一种选择是使用“光催化剂”,它通过吸收光粒子(光子)到插入水中的半导体材料中来工作。光子的能量被物质中的一个电子吸收,这个电子会跳跃,留下一个洞。自由电子能与水中的质子(组成原子核的质子和中子)发生反应而形成氢。同时,这个洞可以从水中吸收电子,形成质子和氧气。

这个过程也可以逆转。氢和氧可以通过燃料电池将“光催化”吸收的太阳能转化为“再结合”,光催化是一种可以用来为电子设备提供动力的能源。重组只是将水作为一种产品——这意味着水也可以被循环利用。这是长途太空旅行的关键。

使用光催化剂的工艺是太空旅行的最佳选择,因为设备的重量比电解所需的要轻得多。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,而地球的大气层在进入地表的过程中不会吸收大量的阳光。

气泡管理

科学家改进从水中制造氧气的方法,为长途太空旅行带来了希望

德国不莱梅大学应用空间技术和微重力中心的掉落塔

在新的研究中,研究人员安装了用于光催化的完整实验装置,从一个120m的掉落塔上下来,创造了一个类似于微重力的环境。当物体以自由落体的形式向地球加速时,由于重力的作用被由于加速度而产生的相等和相反的力抵消了,重力的作用就减小了。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机上加速时所经历的加速度力相反。

研究人员设法证明,在这种环境中确实有可能分解水。然而,当水被分裂成气体时,气泡就形成了。从催化剂材料中去除气泡是很重要的——气泡阻碍了生成气体的过程。在地球上,重力使气泡自动漂浮到表面(靠近表面的水比气泡密度更大,这使得气泡更加丰满),从而释放催化剂上的空间,以便产生下一个气泡。

在失重状态下,这是不可能的,气泡将停留在催化剂上或催化剂附近。然而,科学家们调整了催化剂中纳米尺度特征的形状,创造了金字塔形状的区域,在那里,气泡可以很容易地从顶端脱离,飘进介质中。

但一个问题仍然存在。在没有重力的情况下,气泡将会留在液体中——即使它们已经被从催化剂本身中挤出。重力允许气体很容易地从液体中逸出,这对于使用纯氢和氧是至关重要的。没有重力的存在,就不会有气泡浮到表面并与混合物分离——相反,所有的气体都会形成泡沫。

通过阻断催化剂或电极,这大大降低了工艺的效率。围绕这个问题的工程解决方案将是成功地在太空中实现技术的关键——有一种可能性是利用飞船旋转的离心力将气体从溶液中分离出来。

尽管如此,由于这项新研究,我们离人类长期太空飞行又近了一步。

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