以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
太空机构和私营公司已经制定了在未来几年内将人类送往火星的先进计划——最终殖民火星。随着越来越多在附近恒星周围发现的类地行星，长距离太空旅行从未显得如此令人兴奋。
然而，人类要在太空中长期生存并非易事。长距离太空飞行面临的主要挑战之一是为宇航员携带足够的氧气以供呼吸，以及为复杂电子设备提供足够的燃料。可悲的是，太空中只有少量氧气，而且距离遥远使得快速补充燃料变得困难。
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但现在，一项新的研究发表在《自然通讯》上，表明仅使用半导体材料和阳光（或星光）在零重力下，就可能仅从水中产生氢气（用于燃料）和氧气（用于生命），从而使持续的太空旅行成为现实。
利用太阳这一无限资源来为我们的日常生活供电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很感兴趣。做到这一点的最佳方法是将水（H2O）分解成其组成部分：氢气和氧气。这可以通过称为电解的过程来实现，该过程包括使电流通过包含一些可溶性电解质的水样品。这会将水分解为氧气和氢气，它们分别在两个电极处释放出来。
虽然这种方法在技术上是可行的，但它尚未在地球上普及因为我们需要更多的氢气相关基础设施，例如氢气加气站，才能扩大规模。
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。用携带水发射火箭实际上比携带额外的火箭燃料和氧气发射火箭要安全得多，后者可能是爆炸性的。一旦进入太空，特殊的技术可以将水分解为氢气和氧气，反过来，氢气和氧气可以通过燃料电池用于维持生命或为电子设备供电。
有两种方法可以做到这一点。一种是像我们在地球上一样进行电解，使用电解质和太阳能电池来捕获阳光并将其转换为电流。
另一种选择是使用“光催化剂”，其工作原理是将光粒子（光子）吸收到插入水中的半导体材料中。光子的能量被材料中的电子吸收，然后电子跃迁，留下一个空穴。自由电子可以与水中的质子（与中子一起构成原子核）反应形成氢气。同时，空穴可以从水中吸收电子，形成质子和氧气。
该过程也可以逆转。氢气和氧气可以使用燃料电池聚集或“重组”，从而返回“光催化”吸收的太阳能，这些能量可用于为电子设备供电。重组只产生水作为产物，这意味着水也可以回收利用。这是长距离太空旅行的关键。
使用光催化剂的过程是太空旅行的最佳选择，因为该设备比电解所需的设备重量轻得多。从理论上讲，它应该很容易工作。部分原因是，在没有地球大气层吸收大量阳光的情况下，阳光的强度要高得多。
气泡管理
在这项新的研究中，研究人员将用于光催化的完整实验装置从120米高的落塔中放下，创造了一个类似于微重力的环境。当物体在自由落体中加速向地球移动时，重力的影响会随着重力施加的力被加速度产生的相等且相反的力抵消而减弱。这与宇航员和战斗机飞行员在飞机中加速时经历的重力加速度相反。
研究人员设法表明，在这种环境下分解水确实是可能的。然而，随着水分解以产生气体，会形成气泡。一旦形成，从催化剂材料中去除气泡很重要，气泡会阻碍气体的产生过程。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密度大，这使得它们具有浮力），从而释放催化剂上的空间，以便产生下一个气泡。
在零重力下，这是不可能的，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，气泡可以很容易地从尖端脱离并漂浮到介质中。
但是，仍然存在一个问题。在没有重力的情况下，即使气泡已经被迫远离催化剂本身，气泡仍然会保留在液体中。重力使气体很容易从液体中逸出，这对于使用纯氢气和氧气至关重要。在没有重力的情况下，没有气泡会漂浮到表面并与混合物分离，相反，所有气体都保留下来形成泡沫。
这会通过阻塞催化剂或电极而大大降低过程的效率。围绕这个问题设计解决方案将是成功在太空中实施技术的关键，其中一种可能性是利用航天器的旋转产生的离心力将气体从溶液中分离出来。
尽管如此，感谢这项新的研究，我们离长期人类太空飞行又近了一步。
本文最初发表于The Conversation。阅读原始文章。