火星移民生活之必解难题——如何在火星上制造氧气?

人的生存需要呼吸,离不开氧气。如果我们要在火星和月球上建立基地或移民定居区,就必须要解决长期的供氧问题。事实证明,在这些星球上制造氧气比在地球上要麻烦一些。最近一项在《自然通讯》期刊上发表的文章介绍了这方面的最新研究成果。

火星移民生活之必解难题——如何在火星上制造氧气?

火星的大气层

目前已经比较清楚的是,火星上现有的大气层非常薄,大约只有地球大气层的100分之一;不止是厚度不够,火星的这个薄薄的大气层里面几乎都是二氧化碳。就算是月球,情况比火星甚至更差——它几乎没有任何大气层,月球表面的“气体”主要是来自地壳中的氡和氦的放射性衰变所释放出的气体,主要成分是氦、氖和氢。

所以,虽然我们信心满满地说,未来要在月球建立基地,未来要移民火星,但总的来说,这两个星球的环境对人类来说都不是很友好。如果我们的目标是要建设长期生活的移民区,并要在其中长期的生活,我们就必须要解决制造氧气的问题。

火星移民生活之必解难题——如何在火星上制造氧气?

制造氧气的最直接的想法是用电解水来产生氧气——利用能量,我们可以将水分子(H2O)分解成氧(O2)和氢(H)。这样一举两得,氧气可以满足生命的需要,氢气可以用来制造火箭燃料。

用电解的方法制造氧气,需要解决原材料的问题,好消息是,目前已经在这两个星球上都发现了水或冰,因此,从原理和材料上说,这种方法是可行的。

火星移民生活之必解难题——如何在火星上制造氧气?

电解水制氧制氢

低重力环境中的困难

除了稀薄到不存在的大气层之外,火星的引力约为地球引力的三分之一(3.721 m/s²)(9.807 m/s²),而月球的引力只有地球引力的一半(1.62 m/s²),这两个星球的低重力环境也给我们提出了另一个需要克服的挑战。

科学家们假定,在重力较强的环境中电解比在重力较低的环境中电解效果更好。较低的重力会显著影响电解的效果,因为气泡会粘附在电极表面并形成电阻层。

飞行试验模拟失重环境

为了弄清低重力环境对电解过程的影响,科学家们设计了一个实验。他们制作了“一台小型离心机”,用来模拟火星和月球上的重力环境。在一架空客A310上进行了一次所谓的零重力飞行——飞机沿着抛物线轨道飞行,以消除地球引力的影响。在飞到抛物线的顶端时,发动机关闭,飞机会自由下落几秒钟,在此期间,飞机内部几乎没有重力。

火星移民生活之必解难题——如何在火星上制造氧气?

零重力飞行

测试的重力强度从抛物线飞行时的零重力到离心机中产生的8倍地球重力。同时,出于火灾风险的考虑,在进行抛物线飞行期间禁止产生氢气。因此,为了防止氢气的产生,研究小组在实验中加入了硫酸铜,以中和产生的氢。

试验结果

研究人员发现,如果使用相同的操作参数,在月球重力下产生的氧气会减少约11%。当然,可以使用更多的电来弥补这一损失,据估计,增加约1.1%的电可以弥补这一损失。

当然,上面提到的这些比值数据仅适用于试验中使用的小测试单元。但是,可以明确的是,在为月球或火星上的栖息地进行制氧所需的电力估算时,必须考虑到低重力环境对制氧效率的降低影响。

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页面更新:2024-04-01

标签:火星   氧气   氢气   大气层   抛物线   重力   引力   月球   移民   地球   环境

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