火星上的氧气生产？科学家实现人工光合作用

本文来自微信公众号：顺丰中文（ID：kexuejiaodian），作者：顺丰

近日，游戏厂商贝塞斯达即将推出的单机RPG游戏《星空》（Starfield）再次点燃了人们对太空探索的向往：星际冒险，探索形态各异的星球，造访繁华的星球太空城市，探索充满危险的废弃太空基地…… 那么，要实现这个太空梦想，氧气是必要条件，而人工光合作用技术可以更容易地产生氧气。

文字|陈强

地球上生命的存在很大程度上归功于光合作用。这一生物过程在2 亿多年前进化而来，使植物和其他生物能够利用收集到的阳光将二氧化碳和水转化为可以储存能量同时释放氧气的有机物（如糖）。

光合作用是地球生物圈不可或缺的一部分，我们几乎认为它是理所当然的。但是当我们放眼地球之外时，很快就会发现这种生物过程是多么的稀有和珍贵。

在航天器和地外栖息地高效可靠地生产氧气和其他化学品，以及回收二氧化碳，是我们在长期太空任务中需要应对的重大挑战。科学家们认为，人工模拟光合作用是一项能够帮助我们实现太空梦想的关键技术。

电解有很多缺陷。人类对氧气的需求使太空旅行变得棘手。燃料限制将限制我们可以携带的氧气量，特别是如果我们想要长途旅行到月球和火星。前往火星的单程旅行通常需要两年多的时间，这意味着我们无法轻松地从地球上运送资源。

在国际空间站上，已经有一个设施可以从回收的二氧化碳中生产氧气。国际空间站上的大部分氧气来自称为“电解”的过程。该过程使用空间站太阳能电池板产生的电能将水分解成宇航员可以呼吸的氢气和氧气。它还有一个独立的系统，可以将宇航员呼出的氢气和二氧化碳转化为水和甲烷。

但这种电解技术不可靠且效率低下，而且其设备笨重且难以维护。例如，制氧过程消耗了国际空间站总功率的三分之一左右。因此，科学家们正在寻找一种新的氧气供应，以用于前往月球和火星的旅行。

人工光合作用技术的优势是巨大的。近日，英国华威大学和瑞士洛桑联邦理工学院的一组科学家研发出一种新型供氧装置，可以通过收集太阳能将回收的二氧化碳直接转化为氧气。和有机物。该设备唯一的其他输入是水，因此它类似于自然界中发生的光合作用过程。

该设备使用一种半导体材料来代替植物和藻类中吸光的叶绿素，可以直接在其上涂上金属催化剂以支持所需的化学反应。在收集太阳能的过程中，释放出的额外热能还可以直接用于催化化学反应，从而加速氧气的产生。另外，生产什么样的有机物可以根据需要设计。

国际空间站上的供氧设备，太阳能电池板发电和制氧两个过程是分开的。但如果采用人工光合作用，设备相对简单，其重量和体积可以大大减小，更有利于太空任务。简化的设备意味着更少的布线和更容易的维护。

经过分析，科学家们认为他们的设备确实可以补充现有的生命支持系统，例如国际空间站上使用的供氧设备。它特别适合与聚光太阳能设备结合使用，这些设备本质上是聚焦入射阳光的大镜子。

当然，还有其他方法可以产生氧气。例如，科学家们最近开发了一种直接从月球土壤中产生氧气的技术，但这需要高温才能发挥作用。

另一方面，人工光合作用装置可以在标准大气压和室温下运行。这意味着它可以直接用于航天器和地外栖息地，以水为主要输入材料。月球上的一些陨石坑含有大量的冰，这些地方可以作为未来月球任务的着陆点。

在火星上，大气中近96% 是二氧化碳，这似乎是人造光合作用装置的理想原料。但由于与太阳的距离较远，这颗红色星球上的阳光强度比地球上的要弱得多。那么这会带来问题吗？科学家们实际上计算了火星上可用的阳光量。事实证明，我们仍然可以在那里使用人工光合作用装置，尽管需要聚光太阳能装置来提高光强度。

这项有助于解决地球能源危机的技术的回报将是巨大的。例如，我们实际上可以在太空中使用它来创造人造大气，并为长期任务生产化肥、聚合物或药物等化学品。

此外，人工光合作用技术还可以帮助我们应对地球上的能源危机。除了糖类等有机物，人工光合作用装置还可以产生氢气或其他碳基燃料，作为我们生产和生活的能源。所以，这项技术为我们开辟了一条绿色能源的新途径。

人工光合作用技术还处于起步阶段，科学家们还需要几年的时间来进行更深入的研究。从自然界的光合作用中复制一些其他必要的部分，可以为这项技术的研究带来一些帮助，并在不久的将来使其实用化。

参考：

https://theconversation.com/space-colonies-how-artificial-photosynthesis-may-be-key-to-sustained-life-beyond-earth-206942