太空探索——人工光合作用

太空探索和未來的能源策略其實具有一個非常相似的長期目標，即可持續性。許多科學家認為，人工光合作用裝置很可能成為實現這一目標的關鍵部分。在一篇新發表在《自然·通訊》上的論文中，一個科學家團隊評估了一種利用了光合作用過程中的一些優勢而發展的技術。他們的分析結果表明，人工光合作用或將是幫助人類實現在其他星球生存與繁榮的關鍵。

長途旅行的困難  

地球生命之所以存在，離不開一個已經擁有23億年歷史的化學過程——光合作用。光合作用是地球功能中不可或缺的一部分，它讓植物、藻類能夠將收集到的陽光、水和二氧化碳，轉化為氧氣和能量。

我們早已習慣光合作用為我們帶來的一切，甚至幾乎將它的存在視作理所應當。但是，當我們將目光投向地球以外的其他地方，并試圖在別的星球尋找宜居的環境時，才會恍然意識到，光合作用是多么的稀有和珍貴。

人類對氧氣的依賴，為太空旅行帶來了困難。受燃料的約束，可以攜帶的氧氣量是有限的，尤其是當我們要進行前往月球和火星這樣的長途旅行時，問題更加嚴峻。因為我們不可能從地球上給正在飛行的航天器提供能源補給。

過去，科學家利用一種被稱為“電解”的過程，發展出了在國際空間站上通過循環二氧化碳來生產氧氣的方法。這種方法利用了空間站的太陽電池板的電力，將水分解成氫氣和氧氣，供宇航員吸入。它還有一個獨立的系統，能將宇航員呼出的二氧化碳轉化為水和甲烷。

然而，這些技術有著不可靠、效率低下、笨重且難以維護的缺點。例如，這種氧氣生成過程所需耗費的能量，約占運行國際空間站的整個系統所需能量的1/3。因此，科學家還在試圖尋找其他的系統，來實現前往月球和火星這類的長途太空旅行。

 簡潔的裝置  

收集太空中極為豐富的太陽能，并直接將其用于氧氣的生產和二氧化碳的循環，是許多科學家都認為極具前景的方法。

與目前正在國際空間站上使用的那些傳統方法不同的是，新方法可以規避那些復雜的設置，比如國際空間站的系統中，光的收集和化學反應是兩個分開的過程。換句話說，新方法可以讓科學家僅通過一套裝置，就能完成整個過程。

這種裝置的設置與自然界中的光合作用的運作原理更為相似：它用半導體材料取代植物和藻類中負責吸收光的葉綠素，它還可以利用捕獲太陽能過程中所釋放的額外熱能，在半導體上直接涂上簡單的金屬催化劑，實現直接催化化學反應，加速化學反應的發生。

在這樣的系統中，它唯一需要的外來輸入是水。與傳統系統相比，新系統可以減輕太空旅行時系統的重量和體積，并大大減少復雜的布線和維護。

 在月球和火星上  

在新的研究中，研究人員提出了一個理論框架來分析和預測這種集成“人工光合作用”裝置在月球和火星上的應用性能。

分析結果表明，用這樣的裝置來補充現有的生命支持技術（如國際空間站上使用的氧氣生成組件），是切實可行的，而且它們尤其適合與那些為了給化學反應提供動力而積蓄太陽能的裝置相結合。此外，研究人員表示這些裝置可以在室溫下，在火星和月球上的壓力條件下運作，這意味著它們能夠以水作為主要資源，直接用于棲息地。

這樣的情況對月球來說特別有趣。因為月球上的沙克爾頓隕石坑中被認定存在冰水，而目前一些科學家正努力在沙克爾頓隕石坑建立一個定居點。因此，研究人員將月球表面選為使用這種人工“太陽能水分解裝置”的場所。

在火星上，大氣中近96%的成分是二氧化碳，這看起來幾乎是人工光合作用的理想選擇。不過，火星上的光的強度比地球的弱，因為它與太陽的距離更遠。但研究人員通過計算火星上的可用的陽光強度發現，這并不會造成嚴重問題，我們仍可以在火星上使用這些裝置，只是需要確保用于收集陽光的反射鏡擁有更好的性能。

 巨大的回報  

在科學家們努力實現長期的太空任務時，他們面臨的巨大挑戰是如何才能更加有效且可靠地生產氧氣和其他化學物質，以及在航天器和棲息地循環二氧化碳。現有的電解系統在高溫下運行，需要大量的能量輸入。而用于將火星上的二氧化碳轉化為氧氣的裝置，無論它們是否基于光合作用，都仍處于研發的初級階段。

利用自然界的光合作用的基本原理，可以為科學家在不久的將來在太空中使用這項技術提供一些幫助。雖然這樣的研究工作很可能需要耗費大量的時間和金錢投入，但它所帶來的回報也將是巨大的。例如，它將可以幫助我們在太空中創造人造大氣，生產長期天文任務所需的化學品，如化肥、聚合物、藥品等。此外，從設計和制造這些裝置中所獲得的見解，還有望幫助我們更好地應對地球上的能源綠色挑戰。