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@ 2018.07.18 , 15:00

在零重力环境中分解水制氢

在零重力环境中分解水制氢
科学实验,空间站Expedition Six的指挥官通过旋转设备使较重的液体挤到了外部,而气泡留在了中间|NASA

很多政府和私营企业都定制了前往火星建立殖民地的宏伟目标,而随着越来越多的类地行星被发现,用世代飞船进行太空殖民的建议似乎变得更为可行。

然而,太空中的漫漫长路对人类而言并不友好。主要技术瓶颈之一是需要为船员提供足够的氧气,为设备提供足够的燃料。不幸的是,太空中只有极其微量的氧气。

但现在发表在Nature Communications上的一项新研究表明,使用半导体材料在零重力环境下借助恒星的光照可以把水分解成氢气(作为燃料)和氧气(支持生命)——从而使长时间的空间旅行成为可能。

将太阳近乎无限的能量转化成为我们的日常生活可用的动力,是当今世界上最重大的技术挑战之一。随着我们从石化能源转向可再生能源,研究人员对工业化产出氢气报以极大的期待。

最好的方法是将水(H2O)分解:氢和氧。这可以使用被称为电解的技术,使电流流过含有一些可溶性电解质的水。水分子分解成氧元素和氢元素,最后它们在两个电极处被释放出来。

虽然该方法在技术上是可行的,但当我们推广氢能源的时候,需要建设更多基础设施,例如氢气加油站,而它的效率始终不能令人满意。

太阳能

电解水产生的氢和氧也可以用作航天器上的燃料。在火箭中电解水产生氢气,实际上比直接在火箭上安装氢气和氧气燃料罐更加安全,后者在操作过程中发生爆炸的几率更高。

有两个选择。一个是电解,就像我们在地球上一样,使用电解质和太阳能电池收集阳光并将其转换成电流,然后用电来分解水。另一种是使用“光催化剂”。插入水中的半导体吸收光子,然后释放出一个电子,留下一个“空穴”

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,半导体空穴可以捕获水中的电子,形成质子和氧。

这一过程也可以逆转。可以使用燃料电池将氢气和氧气结合在一起或“重新组合”,从而吐出“光催化”时吸收的太阳能——这就变相地成为了一种储存太阳能的绝佳手段。水是该反应的唯一产物,意味着整个过程可以反复循环。这才是长途太空旅行中的关键所在。

使用光催化剂的工艺是太空旅行的最佳选择,因为相关设备的重量远远低于电解工业所需的设备。理论上讲,它应该很容易。部分是因为外层空间中太阳光的强度要高得多,而地球的大气层在吸收了阳光中的大量能量。

控制气泡

在最新的研究中,科学家放弃了光催化的完整配置,在120米的高塔上,借助降落创造了类似于微重力的环境。

研究人员证明了在这种环境中确实可以成功分解水。然而,当水变成氢气和氧气时,产生了气泡。一旦形成气泡,就必须要从催化剂材料中除去它们——气泡阻碍了后续的反应过程。

在地球上,重力使气泡自动漂浮到表面——为催化剂释放空间,以便产生下一个气泡。

在零重力下,这是不可能的,并且气泡将停留在催化剂上。然而,科学家想出来一个好办法:通过创建一个金字塔形区域来调整催化剂中纳米级特征的形态,其中气泡可以容易地从尖端脱离并漂浮到介质中。

但仍有一个遗留问题。在没有重力的情况下,气泡将留在液体内。最终它们和液体形成了泡沫状的物质,也会极大影响到催化反应的效率。

解决这一问题将成为在太空中实施水分解的关键。一种容易想到的可能方法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。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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