在火星上制氧？科学家实现人工光合作用

最近游戏厂商 B 社即将推出的单人 RPG 游戏《星空》(Starfield)再次点燃了人们对太空探索的向往:在群星间冒险，探索形态各异的行星，造访繁华的太空都市，探索充满危险的废弃太空基地…… 那么，要想实现这个太空梦，氧气是一个必要的条件，而人工光合作用技术可使得生产氧气变得更加容易。

陈强

地球上生命的存在，很大程度上归功于光合作用。这个生物过程早在 2 亿多年前就进化出来了，它能使植物和其他生物利用收集到的阳光，把二氧化碳和水转变成可以储存能量的有机物，同时释放出氧气。

光合作用是地球生物圈中不可或缺的一部分，我们几乎把它当做一种理所当然的存在。但是，当我们把目光投向到地球之外的地方时，很快就会发现这个生物过程是多么的罕见和宝贵。

在航天器和地外栖息地中，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巨大挑战。科学家认为，人工模拟光合作用，是一个能帮助我们实现太空梦的关键技术。

电解技术有很多缺陷

人类对氧气的需求使得太空旅行变得棘手。燃料的制约，会限制我们可以随身携带的氧气量，特别是如果我们想进行前往月球和火星的长途旅行。单程的火星之旅通常需要两年以上的时间，这意味着我们不能轻易地从地球运送资源。

在国际空间站上，已经有一种设备可通过回收的二氧化碳来生产氧气。国际空间站的大部分氧气来自一种被称为“电解”的过程。该过程利用空间站太阳能电池板产生的电力，将水分解成氢气和氧气，氧气可供给宇航员呼吸。它还有一个单独的系统，将氢气和宇航员呼出的二氧化碳转化为水和甲烷。

但这种电解技术不可靠，效率低下，其设备很笨重且难以维护。例如，制氧过程就会消耗掉大约国际空间站总电力的三分之一。因此，科学家正在寻找一种新的供氧设备，以便在前往月球和火星的旅行中使用。

人工光合作用技术优势巨大

最近，来自英国华威大学和瑞士洛桑联邦理工学院的一组科学家，就研制出了一种新的供氧设备，它可通过收集太阳能，直接把回收到的二氧化碳转化为氧气和有机物。这种设备唯一的其他输入是水，所以说这类似于自然界中进行的光合作用过程。

这种设备使用了一种半导体材料，来代替植物和藻类中负责进行光吸收的叶绿素，该材料的表面可以直接涂上金属催化剂，来支持所需的化学反应。在收集太阳能的过程中，释放的额外热能还能直接用来催化化学反应，从而加速氧气的生成。此外，生产出何种有机物，可根据需求来设计。

国际空间站上的供氧设备，太阳能电池板产生电和生产氧气这两个过程是分开的。而利用人工光合作用的话，设备就相对就简单多了，其重量和体积可大幅度地减少，而这更有利于进行太空任务。设备变得简单后，布线就会减少，维护起来也更加容易。

科学家经过分析后认为，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。它特别适合与聚光型太阳能设备结合起来使用。

当然，还有其他生产氧气方法。例如，科学家最近研究出了一种技术，能直接从月球土壤中产生氧气，但这需要高温才能工作。

而人工光合作用设备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中，并以水为主要输入原料。月球的一些陨石坑中就存有大量的冰，这些地方可作为未来月球任务的着陆点。

在火星上，大气中近 96% 的成分是二氧化碳，似乎是人工光合作用设备的理想原料。但由于与太阳的距离更远，红色星球上的阳光强度比地球上的弱很多。那么这会带来问题吗？科学家实际上计算了火星上可用的阳光强度。结果表明，我们仍可以在那里使用人工光合作用设备，尽管需要使用聚光型太阳能设备来提高光强度。

有助于应对地球能源危机

该技术的回报将是巨大的。例如，我们实际上可以在太空中用它来制造人造大气层，并生产长期任务所需的化学物品，例如化肥，聚合物或药物。

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。除了类似糖这样的有机物，人工光合作用设备可以用来生产氢或其他碳基燃料，可作为我们生产和生活中使用的能源。所以说，该技术为我们开辟了一条新的绿色能源之路。

人工光合作用技术仍处于起步阶段，科学家需要几年的时间进行更深入的研究。从大自然的光合作用中复制些其他的必要部分，可以给这项技术的研究带来一些帮助，并能在不远的将来让该技术得到应用。

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