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太空探索——人工光合作用

2023.6.19

太空探索和未来的能源策略其实具有一个非常相似的长期目标，即可持续性。许多科学家认为，人工光合作用装置很可能成为实现这一目标的关键部分。在一篇新发表在《自然·通讯》上的论文中，一个科学家团队评估了一种利用了光合作用过程中的一些优势而发展的技术。他们的分析结果表明，人工光合作用或将是帮助人类实现在其他星球生存与繁荣的关键。

长途旅行的困难

地球生命之所以存在，离不开一个已经拥有23亿年历史的化学过程——光合作用。光合作用是地球功能中不可或缺的一部分，它让植物、藻类能够将收集到的阳光、水和二氧化碳，转化为氧气和能量。

我们早已习惯光合作用为我们带来的一切，甚至几乎将它的存在视作理所应当。但是，当我们将目光投向地球以外的其他地方，并试图在别的星球寻找宜居的环境时，才会恍然意识到，光合作用是多么的稀有和珍贵。

人类对氧气的依赖，为太空旅行带来了困难。受燃料的约束，可以携带的氧气量是有限的，尤其是当我们要进行前往月球和火星这样的长途旅行时，问题更加严峻。因为我们不可能从地球上给正在飞行的航天器提供能源补给。

过去，科学家利用一种被称为“电解”的过程，发展出了在国际空间站上通过循环二氧化碳来生产氧气的方法。这种方法利用了空间站的太阳电池板的电力，将水分解成氢气和氧气，供宇航员吸入。它还有一个独立的系统，能将宇航员呼出的二氧化碳转化为水和甲烷。

然而，这些技术有着不可靠、效率低下、笨重且难以维护的缺点。例如，这种氧气生成过程所需耗费的能量，约占运行国际空间站的整个系统所需能量的1/3。因此，科学家还在试图寻找其他的系统，来实现前往月球和火星这类的长途太空旅行。

简洁的装置

收集太空中极为丰富的太阳能，并直接将其用于氧气的生产和二氧化碳的循环，是许多科学家都认为极具前景的方法。

与目前正在国际空间站上使用的那些传统方法不同的是，新方法可以规避那些复杂的设置，比如国际空间站的系统中，光的收集和化学反应是两个分开的过程。换句话说，新方法可以让科学家仅通过一套装置，就能完成整个过程。

这种装置的设置与自然界中的光合作用的运作原理更为相似：它用半导体材料取代植物和藻类中负责吸收光的叶绿素，它还可以利用捕获太阳能过程中所释放的额外热能，在半导体上直接涂上简单的金属催化剂，实现直接催化化学反应，加速化学反应的发生。

在这样的系统中，它唯一需要的外来输入是水。与传统系统相比，新系统可以减轻太空旅行时系统的重量和体积，并大大减少复杂的布线和维护。

在月球和火星上

在新的研究中，研究人员提出了一个理论框架来分析和预测这种集成“人工光合作用”装置在月球和火星上的应用性能。

分析结果表明，用这样的装置来补充现有的生命支持技术（如国际空间站上使用的氧气生成组件），是切实可行的，而且它们尤其适合与那些为了给化学反应提供动力而积蓄太阳能的装置相结合。此外，研究人员表示这些装置可以在室温下，在火星和月球上的压力条件下运作，这意味着它们能够以水作为主要资源，直接用于栖息地。

这样的情况对月球来说特别有趣。因为月球上的沙克尔顿陨石坑中被认定存在冰水，而目前一些科学家正努力在沙克尔顿陨石坑建立一个定居点。因此，研究人员将月球表面选为使用这种人工“太阳能水分解装置”的场所。

在火星上，大气中近96%的成分是二氧化碳，这看起来几乎是人工光合作用的理想选择。不过，火星上的光的强度比地球的弱，因为它与太阳的距离更远。但研究人员通过计算火星上的可用的阳光强度发现，这并不会造成严重问题，我们仍可以在火星上使用这些装置，只是需要确保用于收集阳光的反射镜拥有更好的性能。

巨大的回报

在科学家们努力实现长期的太空任务时，他们面临的巨大挑战是如何才能更加有效且可靠地生产氧气和其他化学物质，以及在航天器和栖息地循环二氧化碳。现有的电解系统在高温下运行，需要大量的能量输入。而用于将火星上的二氧化碳转化为氧气的装置，无论它们是否基于光合作用，都仍处于研发的初级阶段。

利用自然界的光合作用的基本原理，可以为科学家在不久的将来在太空中使用这项技术提供一些帮助。虽然这样的研究工作很可能需要耗费大量的时间和金钱投入，但它所带来的回报也将是巨大的。例如，它将可以帮助我们在太空中创造人造大气，生产长期天文任务所需的化学品，如化肥、聚合物、药品等。此外，从设计和制造这些装置中所获得的见解，还有望帮助我们更好地应对地球上的能源绿色挑战。

能量太空研究

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周锦帆