無重力状態で水を酸素に変えることで火星への旅が容易になるかもしれない

宇宙機関や民間企業はすでに、今後数年のうちに人類を火星に送り、最終的にはそこに居住地を建設する計画を進めている。また、近くの恒星の周りで地球に似た惑星がますます多く発見されるにつれて、長距離宇宙旅行はかつてないほど魅力的に見えている。しかし、人間が長期間宇宙で生き延びることは容易ではない。長距離宇宙飛行における主な課題の 1 つは、宇宙飛行士が呼吸するのに十分な酸素と、複雑な電子機器を動かすのに十分な燃料を輸送することである。残念ながら、宇宙には酸素がほとんどなく、距離が長いため素早く補充することは難しい。しかし、Nature Communications に掲載された新しい研究によると、無重力状態で半導体材料と太陽光 (または星の光) を使用して、水だけから水素 (燃料用) と酸素 (生命用) を生成できることが示され、持続的な宇宙旅行が現実的に可能になった。

無限の太陽資源を日常生活のエネルギーとして利用することは、地球上で最大の課題の 1 つです。石油から再生可能エネルギー源へと徐々に移行する中で、研究者は水素を燃料として利用する可能性に関心を持っています。これを実現する最良の方法は、水 (H ₂ O) をその構成要素である水素と酸素に分解することです。これは電気分解と呼ばれるプロセスを使用して可能になります。電気分解では、溶解性電解質を含む水サンプルに電流を流します。これにより水が酸素と水素に分解され、2 つの電極で別々に放出されます。

この方法は技術的には可能ですが、規模を拡大するには水素補給ステーションなど、より多くの水素関連のインフラが必要なため、地球上でまだ容易に利用できる状態にはなりません。

太陽の力

このように水から生成された水素と酸素は、宇宙船の燃料としても使用できる。実際、ロケットに水を搭載して打ち上げる方が、爆発の恐れのある追加のロケット燃料と酸素を搭載して打ち上げるよりはるかに安全だ。宇宙に到達したら、特殊な技術で水を水素と酸素に分解し、生命維持に使用したり、燃料電池を介して電子機器に電力を供給したりできる。

これを行うには 2 つの方法があります。1 つは地球上で行っているのと同じように電気分解を行い、電解質と太陽電池を使用して太陽光を捕らえ、これを電流に変換する方法です。

代替案としては、「光触媒」を使う方法があります。これは、水中に挿入された半導体材料に光子（光子）を吸収することで機能します。光子のエネルギーは材料内の電子に吸収され、電子は飛び移ってホールを残します。自由電子は水中の陽子（中性子とともに原子核を構成する）と反応して水素を形成します。一方、ホールは水から電子を吸収して陽子と酸素を形成します。

このプロセスは逆のこともでき、燃料電池を使って水素と酸素を「再結合」させ、「光触媒」で取り込んだ太陽エネルギーを戻すことで、電子機器の電源として利用することができます。再結合によって生成されるのは水だけなので、水もリサイクルできます。これが長距離宇宙旅行の鍵となります。

光触媒を使用するプロセスは、電気分解に必要な装置よりもはるかに軽量であるため、宇宙旅行に最適なオプションです。理論上は簡単に機能するはずです。これは、太陽光の強度がはるかに高く、地表に到達する途中で地球の大気が大量の光を吸収しないためです。

バブル管理

新しい研究では、研究者らは光触媒の実験装置一式を 120 メートルの落下塔から落下させ、微小重力に似た環境を作り出した。物体が自由落下で地球に向かって加速すると、重力によって生じる力が加速による等しく反対の力で打ち消されるため、重力の影響は減少する。これは、宇宙飛行士や戦闘機のパイロットが飛行機で加速するときに感じる G 力とは逆である。

研究者たちは、この環境で水を分解することが確かに可能であることを証明した。しかし、水が分解されてガスが生成される際、泡が発生する。触媒材料から泡が一度形成されると、それを取り除くことが重要である。泡はガス生成の妨げとなる。地球上では、重力によって泡は自動的に表面に浮かぶ（表面近くの水は泡よりも密度が高いため、浮力がある）。これにより、触媒上に次の泡を生成するためのスペースが確保される。

無重力状態ではこれは不可能であり、気泡は触媒上または触媒の近くに留まります。しかし、科学者たちは触媒内のナノスケールの特徴の形状を調整し、ピラミッド型の領域を作成することで、気泡が簡単に先端から外れて媒体に浮かぶようにしました。

しかし、問題が 1 つ残っています。重力がなければ、触媒自体から押しのけられても、気泡は液体の中に残ります。重力により、ガスは液体から簡単に抜け出すことができます。これは、純粋な水素と酸素を使用するために重要です。重力がなければ、ガスの気泡は表面に浮かんで混合物から分離しません。代わりに、ガスはすべて残り、泡を形成します。

これにより、触媒や電極がブロックされ、プロセスの効率が大幅に低下します。この問題に対する工学的解決策が、宇宙での技術の実装を成功させる鍵となります。1 つの可能性は、宇宙船の回転による遠心力を利用してガスを溶液から分離することです。

それでも、この新たな研究のおかげで、私たちは長期の有人宇宙飛行に一歩近づいたのです。

チャールズ・W・ダニルはスウォンジー大学のエネルギー上級講師です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。