Rymdorganisationer och privata företag har redan avancerade planer på att skicka människor till Mars under de närmaste åren – och i slutändan kolonisera den. Och med ett växande antal upptäckter av jordliknande planeter runt närliggande stjärnor, långväga rymdresor har aldrig verkat mer spännande.

Dock, det är inte lätt för människor att överleva i rymden under långvariga tidsperioder. En av de största utmaningarna med långdistansflygning i rymd är att transportera tillräckligt med syre för astronauter att andas och tillräckligt med bränsle för att driva komplex elektronik. Tyvärr, det finns bara lite syre tillgängligt i rymden och de stora avstånden gör det svårt att göra snabba påfyllningar.

Men nu en ny studie, publicerad i Naturkommunikation , visar att det är möjligt att producera väte (för bränsle) och syre (för livet) från enbart vatten med hjälp av ett halvledarmaterial och solljus (eller stjärnljus) utan gravitation – vilket gör en uthållig rymdfärd till en verklig möjlighet.

Att använda solens obegränsade resurs för att driva vårt vardagsliv är en av de största utmaningarna på jorden. När vi sakta går bort från olja mot förnybara energikällor, forskare är intresserade av möjligheten att använda väte som bränsle. Det bästa sättet att göra detta är att dela vatten (H ₂ O) till dess beståndsdelar:väte och syre. Detta är möjligt med en process som kallas elektrolys, vilket innebär att man kör en ström genom ett vattenprov som innehåller någon löslig elektrolyt. Detta bryter ner vattnet till syre och väte, som frigörs separat vid de två elektroderna.

Även om denna metod är tekniskt möjlig, det har ännu inte blivit lätt tillgängligt på jorden eftersom vi behöver mer väterelaterad infrastruktur, såsom vätgaspåfyllningsstationer, att skala upp det.

Solkraft

Väte och syre som produceras på detta sätt från vatten skulle också kunna användas som bränsle på en rymdfarkost. Att skjuta upp en raket med vatten skulle faktiskt vara mycket säkrare än att skjuta upp den med extra raketbränsle och syre ombord, som kan vara explosivt. Väl i rymden, specialteknik skulle kunna dela vattnet i väte och syre som i sin tur skulle kunna användas för att upprätthålla liv eller för att driva elektronik via bränsleceller.

Det finns två alternativ för att göra detta. En involverar elektrolys som vi gör på jorden, använda elektrolyter och solceller för att fånga solljus och omvandla detta till en ström.

Alternativet är att använda "fotokatalysatorer", som fungerar genom att absorbera ljuspartiklar – fotoner – i ett halvledarmaterial som förs in i vattnet. Energin hos en foton absorberas av en elektron i materialet som sedan hoppar, lämnar efter sig ett hål. Den fria elektronen kan reagera med protoner (som utgör atomkärnan tillsammans med neutroner) i vatten för att bilda väte. Under tiden, hålet kan absorbera elektroner från vatten för att bilda protoner och syre.

Processen kan också vändas. Väte och syre kan föras samman eller "rekombineras" med hjälp av en bränslecell som returnerar solenergin som tas upp av "fotokatalysen" – energi som kan användas för att driva elektronik. Rekombination bildar endast vatten som produkt – vilket innebär att vattnet också kan återvinnas. Detta är nyckeln till långväga rymdresor.

Processen med fotokatalysatorer är det bästa alternativet för rymdresor eftersom utrustningen väger mycket mindre än den som behövs för elektrolys. I teorin, det borde fungera lätt. Detta beror delvis på att intensiteten i solljuset är mycket högre utan att jordens atmosfär absorberar stora mängder på sin väg upp till ytan.

Bubbelhantering

I den nya studien, forskarna släppte hela experimentuppsättningen för fotokatalys ner i ett 120 meter stort falltorn, skapa en miljö som liknar mikrogravitation. När föremål accelererar mot jorden i fritt fall, gravitationens effekt minskar när krafter som utövas av gravitationen upphävs av lika och motsatta krafter på grund av accelerationen. Detta är motsatsen till G-styrkorna som astronauter och stridspiloter upplever när de accelererar i sina flygplan.

Forskarna lyckades visa att det verkligen är möjligt att klyva vatten i denna miljö. Dock, när vatten delas för att skapa gas, bubblor bildas. Att bli av med bubblor från katalysatormaterialet när det väl bildats är viktigt – bubblor hindrar processen att skapa gas. På jorden, gravitationen gör att bubblorna automatiskt flyter upp till ytan (vattnet nära ytan är tätare än bubblorna, vilket gör dem köpstarka) – frigör utrymmet på katalysatorn för nästa bubbla som ska produceras.

I noll gravitation är detta inte möjligt och bubblan kommer att förbli på eller nära katalysatorn. Dock, forskarna justerade formen på nanoskaliga egenskaper i katalysatorn genom att skapa pyramidformade zoner där bubblan lätt kunde lossna från spetsen och flyta ut i mediet.

Men ett problem kvarstår. I frånvaro av gravitation, bubblorna kommer att stanna kvar i vätskan – trots att de har tvingats bort från själva katalysatorn. Tyngdkraften gör att gaserna lätt kan fly från vätskan, vilket är avgörande för att använda det rena vätet och syret. Utan närvaro av gravitation, inga gasbubblor flyter upp till ytan och separeras från blandningen – istället blir all gas kvar för att skapa ett skum.

Detta minskar processens effektivitet dramatiskt genom att blockera katalysatorerna eller elektroderna. Tekniska lösningar kring detta problem kommer att vara nyckeln till att framgångsrikt implementera teknik i rymden – med en möjlighet att använda centrifugalkrafter från rotation av en rymdfarkost för att separera gaserna från lösningen.

Ändå, tack vare denna nya studie är vi ett steg närmare långvarig mänsklig rymdfärd.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.