科学家发现制氧新方法！用金箔和二氧化碳就可以产生氧气？

美国宇航局的海盗1号轨道飞行器在20世纪70年代拍摄的火星。(图片：©美国航天局/喷气推进实验室/ 美国地质勘探局)

科学家们发现了一种制造氧气的新方法，未来的火星探险者或许可以利用这种方法在火星上自行制造氧气。

火星离地球很远，所以如果能够在火星上制造出可呼吸的空气的话，航天机构就可以节省从地球运送氧气到火星所需的费用和精力。

一个研究小组通过研究彗星发现了这种新的产氧反应。这些小型冰天体大多数起源于太阳系中的一个被称为奥尔特云的遥远区域，这个区域甚至比海王星的轨道还要远得多。如果一颗彗星逐渐接近太阳，来自太阳的热量就会开始将彗星上的冰吹进太空，这种反应将会产生延绵数千英里的彗尾。

加州帕萨迪纳加州理工学院(Caltech)的一组研究人员发现了一种新的方法来解释彗星如何产生分子氧。(两个氧原子结合在一起就可以形成一个氧分子，氧分子集合起来就可以形成可呼吸的空气。)

一种已知的方法是利用动能。彗星的升华过程包含很多反应，太阳风(不断从太阳散发出的粒子流)可以以高速将漂浮的水分子推进彗星的表面，如果彗星表面有含氧化合物的话，倾斜的水分子会把含氧化合物的氧原子扯下来，从而产生分子氧。

研究小组发现，分子氧也可以通过二氧化碳反应产生。(二氧化碳含有一个碳原子和两个氧原子。)前加州理工学院博士后Yunxi Yao和现任加州理工学院化学工程教授康斯坦蒂诺斯·贾皮斯(Konstantinos Giapis)通过使用二氧化碳撞击金箔来模拟了这种反应。由于金箔不能被氧化，它本身不应该产生任何分子氧，但当二氧化碳以高速倾斜进入金属箔时，金箔表面会释放出分子氧。

加州理工学院的代表在一份声明中说：“这意味着这两个氧原子来自同一个二氧化碳分子，它们以一种不同寻常的方式被有效地分裂了出来。”

为了更好地理解二氧化碳如何分解出分子氧，加州理工学院的化学教授汤姆·米勒和博士后菲利普·舒什科夫创建了一个计算机模拟程序。

研究人员说，建立反应模型的一个挑战是这些反应分子非常地“兴奋”，这意味着它们正在以一种复杂的方式振动和旋转。

米勒在声明中说：“一般来说，激发态分子会导致不寻常的化学反应，所以我们先从激发态分子开始模拟，但令我们惊讶的是，激发态并没有产生分子氧，相反，这种分子分解成了其他产物。”

科学家们发现，在不刺激二氧化碳的情况下，二氧化碳可以生成极端“弯曲”的二氧化碳分子——那些具有不寻常几何形状的分子，这反而可以产生氧气。

当Yao和贾皮斯把二氧化碳分子击向金箔时，他们互给单个的二氧化碳分子充电，然后用电场对它们进行加速。然而，贾皮斯说，这个反应也可能以较慢的速度进行，这可以解释为什么火星高层大气中有一些氧气在漂浮。

他在声明中说：“如果你可以以足够的速度向一些二氧化碳气体扔出一块石头，你也可以达到同样的效果，不过石头的速度必须与彗星或小行星在太空中的速度相当。”

此前，科学家们认为火星大气中的低浓度氧气可能是由太阳紫外线照射到火星大气中的二氧化碳分子后产生的。然而，贾皮斯的理论认为，火星上的氧气也可以在加速尘埃粒子高速撞击大气二氧化碳分子时产生。

贾皮斯使用的反应堆产量非常低，每100个通过加速器的二氧化碳分子才会产生一两个氧分子。然而，贾皮斯说，也许有一天他的反应堆经过改造之后将可以为火星上的宇航员创造可呼吸的空气。在地球上，这个反应堆可能有助于将二氧化碳(一种强大的温室气体，也是全球变暖的主要驱动力)从大气中提取出来，并将其转化为氧气。

他说：“这是装置的最终版本吗?不是。它能够解决关于火星的问题吗?不能，但它是一种可以做一些非常困难的事情的设备，我们正在用这个反应堆做一些疯狂的事情。”

Yao领导了一篇基于这项研究的论文，并于上周发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

此外，美国宇航局即将在火星上进行一次产氧技术的测试。一个名为“MOXIE”(Mars Oxygen In situ resource utilization Experiment, 火星氧气就地资源利用实验)的技术演示器将搭载该机构的2020火星漫游车升空，该漫游车计划于明年夏天发射，并于2021年2月登陆火星。MOXIE将用电化学方法分解火星大气中的二氧化碳，美国宇航局想看看这种方法制造的氧气是否可以扩大到支持人类在火星上的活动。