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電解水與長期太空旅行

近幾來,人們致力於把人們送上火星、甚至殖民火星,而不只是火星,我們也逐漸發現,周遭也有很多適居天體,但以目前的科技,光是從地球航向火星(僅距離地球約5光分)就要數月,更別說是其他好幾光年以外的天體了。

  這個讓科學家煩惱了許久的問題,現在可能有解了!此次的大功臣就是太陽能電解水。無法達成這類長期太空旅行,最難以解決的問題有兩個──太空人賴以為生的氧氣、供應太空船前進的燃料──不足;這兩樣資源都是從地球運進太空船中,但太空船有其容量限制,太空中的補充速率也比不上消耗速率,因此,資源的最大儲存量注定了太空船能夠航行的最遠居距離。



國際太空站的氮氧儲藏槽[1]

  首先,我們先來看看電解是什麼?電解質是溶於水或在熔融態下,能夠產生自由離子進而導電的化合物;當電解質熔化或溶於水後,如果通以直流電,在電解池的兩極均會產生化學反應,生成產物。

  如下圖,插入電解質中的碳棒或鉑棒為電極,電子由電池負極出發,經過導線進入右側電極,使其帶負電(得到電子行還原反應),吸引正離子靠近,為陰極;而左側電極將電子經導線傳給電池正極,使其帶正電(失去電子行氧化反應),吸引負離子靠近,為陽極。如此便產生了電流迴路。



電解 [2]



  電解水(H2O)能夠產生氫氣(H2)與氧氣(O2),其中氫氣能夠提供推進太空船的燃料氧氣提供太空人生存



那麼作為電池提供能量來電解水的角色,又是誰呢?



  那就是另一位大功臣──太陽能。科學家結合光觸媒和半導體,當光照射到光觸媒時光觸媒提供將光能轉換成化學能,提供給半導體內部的電子足夠的能量,變成不受束縛的自由電子。

  當自由電子離開原先的位置後,就可以在半導體內部形成類似電池的供電功能。如下圖,左側被激發的自由電子會尋找帶正電的電洞,因此會經過導線,抵達右側與電洞結合,於是便形成迴路。



二極體 [3]



被激發電子進入二極體 [4]



  但是,這項技術目前遇到一個問題。在地球上,生成的氫氣與氧氣會在水裡形成泡泡在重力的影響下氣體很容易與液體分離,氣泡衝出水面;而在無重力環境下,氫氣與氧氣形成的泡泡卻會在電極周圍形成泡沫無法和水分離。這樣不但使得氫氣與氧氣無法被妥善收集,電極周圍的泡沫還會讓電極的導電效果變差(離子需要更大的能量才能穿越泡沫形成的障壁、靠近電極)。

  要解決這個麻煩,只能利用太空船旋轉時的向心力了,向心力可以製造類似重力的效果,讓氣體與液體像是在地球表面一樣,容易分離。



向心力與重力 [5]



原始資料:

https://www.space.com/41133-oxygen-making-method-long-distance-travel.html



參考資料:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E8%A7%B8%E5%AA%92 http://freebsd5.psjh.cy.edu.tw/~chemphy/book/13/13-5.htm



圖片來源:

[0] https://www.space.com/41133-oxygen-making-method-long-distance-travel.html

[1] https://www.space.com/41133-oxygen-making-method-long-distance-travel.html

[2] http://freebsd5.psjh.cy.edu.tw/~chemphy/book/13/13-5.htm

[3] http://waww.you2repeat.com/watch/?v=hAOOkgkA_wo

[4] http://waww.you2repeat.com/watch/?v=hAOOkgkA_wo +自行繪圖

[5] https://zhidao.baidu.com/question/534783801.html

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