懸浮青蛙與電影潛艇背後的物理學或許能讓未來的太空人呼吸得更輕鬆。
德國的不萊梅並不以摩天大樓聞名。該市最高的建築是一座 236 公尺高的電信塔。第二高的則是 146 公尺高的不萊梅落塔（如圖 1 所示），專門用於科學研究。它是不萊梅大學應用太空技術與微重力中心（ZARM）的主要設施，內部建有一條暢通無阻的垂直管道，讓研究人員得以觀察實驗設備在自由落體狀態下的行為。
圖 1：不萊梅落塔（Bremen Drop Tower）是一座特別的微重力研究設施。在塔內真空的垂直空間中，實驗設備可以經歷超過 9 秒的自由落體運動。研究人員利用該設施展示了磁鐵如何能在太空中將氣泡與水分離。（圖片來源：© ZARM / 不萊梅大學）
不萊梅落塔研究多樣的物理現象，包括紊流與物質波干涉測量術（matter-wave interferometry）。但該中心的共同主任卡塔琳娜·布林克特 （Katharina Brinkert） 是一位電化學家，致力於開發為太空探索任務生產氧氣與燃料（如氫氣）的系統。
在地球上，將水電解成其組成元素是眾所周知的電化學反應。氫氣累積在陰極，氧氣累積在陽極，兩種氣體都會在液體中形成氣泡上升，並可在表面收集。但在沒有重力的情況下，就不存在「氣泡上升」這回事。需要有其他力量將氣泡從電極上拉開。
布林克特與 ZARM 研究助理厄默·阿卡伊（Ömer Akay）、喬治亞理工學院航太工程助理教授阿爾瓦羅·羅梅羅-卡爾沃（Álvaro Romero-Calvo）等人合作展示了磁場不僅能透過一種，而是兩種方式完成這項任務[1]。在他們於不萊梅落塔進行的原理驗證實驗中，研究人員展示了利用磁力促進微重力下電解水的兩種不同的方式。其中一種力量作用於水分子本身；而在另一種方式中，力量則作用於溶液中的離子。
更輕的負載
磁力並非在微重力下分離氣泡與水的唯一方法，也不是首個被嘗試的方法。國際太空站（ISS）上的生命維持系統利用電解水來產生供太空人呼吸的氧氣——攜帶大量水比攜帶氧氣更方便且安全——並利用離心機來分離反應產物。然而，這類機械裝置耗能巨大，且其旋轉部件容易發生故障。
對於太空任務而言，機械上的故障風險帶來了一系列的現實困難，誠如羅梅羅-卡爾沃所解釋：「想像你想開車橫越沙漠，」他說，「那裡沒有維修站，如果你輪胎破了怎麼辦？嗯，你必須隨身攜帶備胎——而且不只一個，而是你預期整趟旅程中可能會需要的總數。」
太空中沒有太空船維修店。太空人需要隨身攜帶整個任務期間所需的所有零組件，或者至少撐到下一次與地球聯繫。對於長期任務（例如未來的火星載人任務），酬載的質量會迅速增加，費用也隨之攀升。
在這種情況下，磁鐵具有顯著的優點，因為它們不易損壞。釹磁鐵能產生極強的磁場，卻不需要移動零件也不消耗能量。原則上，它們應該能穩定運作至任務結束。
自由落體實驗
磁場下電解水的研究早已在地球上進行過。「但太空研究的迷人之處在於你可以看到許多平時因為重力而看不到的酷炫效應，」羅梅羅-卡爾沃說。他說，結果有時候出人意料，沒有什麼能取代實際進行實驗。
為了在地球上模擬微重力，不萊梅落塔利用了廣為人知的原理：當整個系統處於自由落體狀態時，重力對所有部分的影響是均等的，其行為表現就如同沒有重力一般。但該設施將這個概念更推進了一步。 ZARM 的研究人員並非將實驗設備帶到塔頂再扔下（這將提供約 4.7 秒的自由落體時間），而是從地面向上發射裝置。系統在起飛（與落地）時會承受強大的力量，但在其餘 9.3 秒的航程中——包括上升與下降過程——裝置會經歷失重狀態。
圖 2：抗磁排斥力將水推離磁鐵。因此，當一對磁鐵夾住電化學電池時，磁場會將水推向中心的電極。水流會帶走電極上氫氣與氧氣氣泡，使氣泡成群流向磁鐵。（圖片改編自 Ö. Akay 等人 / CC BY 4.0）[2]
「美國境內沒有類似的設施，」羅梅羅-卡爾沃說。相比之下，位於俄亥俄州克里夫蘭的 NASA 零重力研究設施雖然擁有比不萊梅落塔略高的地下落井，但僅能支援 5.2 秒的單向自由落體。
它們如何運作？
水具有抗磁性，這意味著水分子會被磁鐵排斥。通常情況下，這種排斥力極其微弱，除非磁場非常強，否則不具備實際效果。而正是抗磁性（主要是水的抗磁性）讓安德烈·海姆（Andre Geim）及其同事在 1997 年著名的實驗中使青蛙懸浮在空中。（參見海姆於 1998 年 9 月在《今日物理》發表的文章，第 36 頁。）這項壯舉讓海姆在 2000 年獲得了搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel Prize），而 10 年後，他在石墨烯領域的研究獲得了真正的諾貝爾獎。
在地球重力下使青蛙懸浮需要 20 特斯拉（T）的電磁鐵。電解水實驗中使用的釹永磁鐵強度僅為該數值的百分之幾。但在沒有重力需要克服的情況下，即使輕微的抗磁排斥力也變得相當關鍵。圖 2 展示了 ZARM 進行 9 秒測試的結果。
第一輪 ZARM 測試中使用的電化學電池寬度約為 1 公分。當電流通過一對網狀電極時，氫氣與氧氣氣泡會迅速在質子交換膜的兩側形成。如果沒有磁鐵，氣體會聚集在電極上，反應將會停滯。但電池外緣的磁鐵會將水推向電池中心。結果，氣泡會流離電極並朝向磁鐵移動。
研究團隊的第二套實驗架設靈感來自電影。在《獵殺紅色十月》中，史恩·康納萊（Sean Connery）飾演角色所指揮的潛艇靠著磁流體力學推進器（magnetohydrodynamic drive）提供動力：將電流與磁場同時作用於海水之上，水中的鹽離子受到勞侖茲力，使得海水以螺旋軌跡噴出並推動潛艇前進。現實情況雖不如虛構作品那般優美，但當研究人員設計了一個帶有環狀電極的電池並將其置於磁場中時，勞侖茲力確實發揮了作用，將氣泡從電極上帶走。
展望未來
「我們展示的是 TRL-3 技術，」羅梅羅-卡爾沃說，這裡指的是 NASA 的技術成熟度（Technology Readiness Levels）分級：TRL 3 指的是技術關鍵功能的實驗室驗證。「想要把它送上軌道的話，我們需要達到 TRL 8」，這意味著需要建造、測試並準備好一個實際尺寸的電解系統。
除了建造更大的電解電池並進行超過 9 秒的測試外，研究人員還需要解決幾個更具體的實務問題。例如，如何從電池中收集產生的氣體？這些氣體含有多少濕度與其他雜質？電解過程會消耗多少能量？是否可能將電池直接與太陽能光電極整合？在 NASA 與歐洲太空總署 ESA 的持續資助下，研究人員已著手進行這些後續步驟。
這項技術核心的磁物理學並非新發現。如果這是一個在微重力下分離液體與氣體的絕佳方案，那為何以往都沒人想到？「這是一個好問題，」羅梅羅-卡爾沃說，「我相信是因為我們整合了來自不同領域的多個概念。太空電化學是一個非常小的領域。磁電解是另一個非常小的領域。而能夠持續進行微重力實驗更是極為罕見。基礎科學與應用工程的觀點很難融合。正是這些因素極其罕見的結合，才促成了我們的成果。」
參考文獻
[1] Ö. Akay et al., Nat. Chem. (2025).
[2] 圖 2 改編自 Ö. Akay 等人製作之影片，影片可於《Physics Today》原文網頁觀看。
本文感謝 Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, Nov. 2025 雜誌。
原文：Magnetic fields facilitate water electrolysis in microgravity
作者：Johanna L. Miller，曾任《今日物理》編輯部成員，擁有杜克大學數學與化學學士學位，以及芝加哥大學物理學博士學位。
譯者：林祉均，中央研究院物理所研究助理。
