火星宜居化技術(shù)驗(yàn)證設(shè)想

賈陽 劉振春 崔尚文 （中國空間技術(shù)研究院）

火星宜居化技術(shù)驗(yàn)證設(shè)想

Proposal of Mars Terraforming Technology Verification

賈陽 劉振春 崔尚文 （中國空間技術(shù)研究院）

火星是地球的鄰居，從表面環(huán)境、資源、距離等因素分析，是人類移民的首選。然而，在火星表面建立人類的宜居環(huán)境，相對人類現(xiàn)在的科技水平而言，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，尚無法準(zhǔn)確描繪火星移民工程的技術(shù)路線圖。但是，這并不妨礙對火星宜居化（MtoE）技術(shù)進(jìn)行展望。

1 引言

人類早晚會有一天要移民到地外星球，比如火星。雖然現(xiàn)在還無法預(yù)測那一天有多么遙遠(yuǎn)，但這并不妨礙現(xiàn)在就開始策劃做些基礎(chǔ)工作，驗(yàn)證一些移民必需的關(guān)鍵技術(shù)，想一想都很激動人心。

在那一天到來的時候，人類的科技水平一定有了極大的發(fā)展，也許用到的科技原理現(xiàn)在還沒有認(rèn)識到，這無法被超越，就讓后人原諒今人的無知，以現(xiàn)在能夠想象的技術(shù)，預(yù)測一下這劃時代的壯舉。

移民是要呼吸的，工作時隨身攜帶的“氧立得”，消耗堿金屬，利用火星大氣生成氧氣。但是居住在城堡里面，移民可以自由呼吸，那里的氧氣是生物氧，而且是免費(fèi)的。火星水的價格很低，如果非要喝一杯進(jìn)口的地球水，那只能支付不菲的火星幣了。但是有一句名言，“人的一生一定要喝一杯地球水”，不僅僅是因?yàn)榈厍蛩目谖叮驗(yàn)槟瞧渲械膽雅f與感傷。

城堡的殼是玻璃高溫打印的，最常用的形容詞是晶瑩剔透，老人和孩子一般是不離開城堡的，擔(dān)心輻射導(dǎo)致衰老變快。移民都很注意保養(yǎng)，去野外工作前，都要涂抹防輻射霜。城堡的地下部分溫度保持在-20℃，很多移民不愿意去地球旅行，就是因?yàn)槟抢飵缀醵际菬釒У貐^(qū)，居民平均壽命低于移民。只有地球的兩極稍好些，建設(shè)了很多移民度假村，不過最近的匯率又升高了，很多度假村的低重力雪道上已經(jīng)見不到移民的身影。

旅行用的輸運(yùn)艙，加速和減速的時候，還是選用化學(xué)燃料，最常用的推進(jìn)劑是液態(tài)CO與液態(tài)O2、有時也用液態(tài)CH4和液態(tài)O2。長時間飛行主要靠太陽帆，這些帆在地火等行星之間穿梭，有多條旅行線路可供選擇。

在火星表面短距離旅行的運(yùn)輸工具是電動車，如果遠(yuǎn)行，為了節(jié)省時間，只能用磁力炮了。核能、太陽能在能源結(jié)構(gòu)中的比例已經(jīng)開始下降了，風(fēng)能發(fā)展方興未艾。

好吧，讓思緒回來，當(dāng)下能為移民做些什么技術(shù)準(zhǔn)備呢？至少包括液態(tài)CO與液態(tài)O2制備技術(shù)、SiO2高溫打印、太陽帆、微生物制氧、宏尺度的風(fēng)能利用。

2 火星宜居化

人類火星活動的發(fā)展

人類生存的基本條件包括食物、陽光、水、氧氣等，長期生存的條件還包括生產(chǎn)工具、可開發(fā)的資源、醫(yī)療保障等等。

少量人類個體的探險型火星表面短期生存，其生命保障所需要的水、食物、氧氣、溫度等保障條件，可以完全利用地球的資源滿足。這種類型的活動，對火星表面環(huán)境會有輕微的改變，著陸時也需要利用火星大氣減速，但總體來看，人類生存所需的資源不依賴火星。

為了在火星表面較長時間活動，人類開始開發(fā)利用火星的資源，服務(wù)往返任務(wù)，逐漸發(fā)展到開發(fā)礦藏，服務(wù)地球的社會發(fā)展。例如，利用火星大氣的CO2資源，生產(chǎn)返回地球用的推進(jìn)劑；開發(fā)鉑等貴金屬礦藏，并運(yùn)回地球。

進(jìn)一步發(fā)展到移民型活動，移民在火星上所需的基本生存資源需要實(shí)現(xiàn)本地化，對地球的依賴僅限于少量、個別，類比于森林文明對槍支彈藥、鐵器的需求，或者青藏高原文明對茶、鹽的需求。這種活動的進(jìn)一步發(fā)展，物質(zhì)交換的“臍帶”、心理的“臍帶”也可以斷開，至少這種斷開已不會使移民社會發(fā)展停滯。

人類移民火星的發(fā)展里程碑可能包括：

·人類探測器到達(dá)火星；

·人類探測器到達(dá)火星表面；

·探測器實(shí)現(xiàn)火星表面巡視探測；

·火星表面采樣返回地球；

·人類到達(dá)火星表面；

·實(shí)現(xiàn)火星資源利用，生產(chǎn)火箭推進(jìn)劑；

·掌握火星表面水資源利用技術(shù)；

·建立包括地火的行星際通信系統(tǒng)；

·出現(xiàn)在火星表面工作次數(shù)超過1次且累積工作時間大于1火星年的航天員；

·平民經(jīng)過短期訓(xùn)練后，到達(dá)火星表面；

·適應(yīng)火星表面環(huán)境的生物基因改造工程實(shí)現(xiàn)；

·城堡式宜居化環(huán)境建設(shè)完成；

·建設(shè)包括光能、核能、風(fēng)能的完備能源系統(tǒng)；

·火星資源反哺地球；

·出現(xiàn)火星移民，到達(dá)火星后的任務(wù)列表中，不包括返回地球；

·第一個火星人誕生；

·正常死亡人類長眠火星；

·發(fā)現(xiàn)演化形成的火星特有物種；

·火星人到地球旅行；

·移民生產(chǎn)、生活資源自給；

·移民自治；

·隔離產(chǎn)生，隔離可能包括物質(zhì)、心理、語言、文化、技術(shù)發(fā)展路線、生殖等方面；

·人類亞種間爆發(fā)戰(zhàn)爭……

資源利用

可以看出，不同類型的火星活動，對資源的需求是不同的，進(jìn)入到開發(fā)型活動階段后，宜居化技術(shù)就已經(jīng)成為必需，其發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)資源本地化比例的不斷提高。

火星可以利用的資源至少包括：

1)光。雖然火星軌道上陽光的光強(qiáng)僅為地球附近的40%，但是從發(fā)電的角度看，仍然可以看作是取之不盡的能源。火星表面的光強(qiáng)由于大氣吸收、散射等原因，進(jìn)一步下降，而且受塵暴的影響，光強(qiáng)變化范圍較大，但仍然是火星表面活動的成本最低的能量來源。

2)大氣。火星表面大氣的壓強(qiáng)僅為地球表面的1%，主要成分是CO2，可以在推進(jìn)劑生產(chǎn)、風(fēng)能發(fā)電中作為本地資源利用。

3)鹽。火星土壤中含有豐富的硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等鹽類，通過冶煉技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)建筑材料以及鐵合金、鋁合金的本地化生產(chǎn)。

4)水。已經(jīng)探明在火星兩極地區(qū)有固態(tài)水，其開采、運(yùn)輸對移民的生產(chǎn)、生活均具有重要的意義。

宜居化的挑戰(zhàn)

火星環(huán)境是最接近人類的宜居環(huán)境，但是火星的塵暴、低氣壓、低溫環(huán)境，對人類的長期生存仍然是巨大的挑戰(zhàn)，火星宜居化是人類文明的最大挑戰(zhàn)之一。火星全球化的宜居改造，涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)十分巨大，從更具現(xiàn)實(shí)性的角度考慮，本文的討論局限在城堡式宜居化及全火面活動的層面。宜居化環(huán)境構(gòu)建面臨的挑戰(zhàn)包括：

1)低重力。低重力將引起人類骨骼的鈣缺失，但從長期看，人類是可以適應(yīng)這種低重力環(huán)境的。

2)氧氣。為了減少野外工作服設(shè)計的復(fù)雜性、操作的靈活性，以及居住環(huán)境的建設(shè)成本，城堡內(nèi)部的壓力可以考慮選擇0.3×1.01×105Pa的純氧環(huán)境。

3)溫度。實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度控制的最好手段是建筑在半地下。火星土壤的淺層，可以實(shí)現(xiàn)恒溫，隨著深度的增加，溫度會有升高。居住區(qū)可以建設(shè)在土壤的淺層結(jié)構(gòu)中，既方便光能利用，又能降低環(huán)境溫度調(diào)節(jié)的復(fù)雜程度。

4)輻射。探測成果表明，人類使用防護(hù)服，可以短期適應(yīng)火星表面的輻射環(huán)境。為了避免長時間的累積效應(yīng)，更好地防護(hù)一次輻射、二次輻射，可以利用建筑材料實(shí)現(xiàn)。

5)食物。發(fā)展氧化性土壤改性、適應(yīng)火星環(huán)境的生物基因改造、無土栽培等技術(shù)，利用生物光合作用實(shí)現(xiàn)氧氣、食物的生物化生產(chǎn)。

宜居程度的提高，既包括通過技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)境的局部改造，也包括移民通過生物演化進(jìn)程，更加適應(yīng)改造后的火星環(huán)境。

宜居化的特征

宜居化環(huán)境的基本特征包括：

1)長期性。宜居化的目標(biāo)是人類在火星表面的長期生存，因此宜居化環(huán)境建設(shè)涉及的方法、技術(shù)需要符合可持續(xù)發(fā)展的需要，不能對周邊環(huán)境產(chǎn)生危害。

2)安全性。宜居環(huán)境著眼于人類居住的安全，通過多個居住區(qū)的局部隔離、備份冗余等手段，使生態(tài)系統(tǒng)具備一般性故障的應(yīng)對能力。對小概率的災(zāi)難性事件，也需要具有一定的應(yīng)對能力，如隕石撞擊等。

3)自給性。隨著宜居化技術(shù)的發(fā)展，資源的本地化滿足程度逐漸提高，系統(tǒng)對外部資源的依賴局限在少量火星稀缺資源，實(shí)現(xiàn)絕大部分資源需求滿足的本地化。

4)發(fā)展性。利用火星資源，發(fā)展技術(shù)，不斷提高環(huán)境的宜居程度，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。

3 火星宜居化技術(shù)需求

為了實(shí)現(xiàn)火星表面環(huán)境改造和城堡式宜居環(huán)境的目標(biāo)，對其技術(shù)需求分析如下。

電

最簡單的能源獲得方式是太陽能。在火星表面，可以利用火星光譜匹配的太陽電池陣，通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率大于30%，可以輔助以聚光等手段，提高單位面積太陽電池的能源轉(zhuǎn)換效率。為了提高能源供應(yīng)的穩(wěn)定性，考慮在火星軌道構(gòu)建太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過激光實(shí)現(xiàn)能量的定向傳輸。

除了光能的利用外，核能的利用也必不可少，同位素衰變的能量有限，有發(fā)展前途的還是可控核聚變。

為了最大程度實(shí)現(xiàn)能源利用，還需要關(guān)注風(fēng)能、溫差發(fā)電、微生物燃料電池等能源獲得方式，但是在提高能源轉(zhuǎn)換效率方面的技術(shù)難度都較大。例如，火星表面氣壓很低，其風(fēng)能利用難度較大，需要發(fā)展全方向適應(yīng)的大尺寸風(fēng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備。

在能量的存貯方面，還需要發(fā)展超級電容等高能量密度存儲設(shè)備。

氧

火星表面短期活動的制氧方式可以利用堿金屬及火星表面充足的CO2資源。也可以利用H2O2催化分解方法，同時滿足生存所需要的兩個重要條件。催化劑一般選用基于過渡金屬錳、鈷、鉛等的金屬鹽和氧化物。工業(yè)化的制氧手段可以采取CO2分解法，再通過膜分離或分子篩技術(shù)分離O2，其反應(yīng)為2CO2→2CO+O2。水的電解，以及在礦物開采過程中，通過加熱硝石等礦物，也會產(chǎn)生O2。

成本更低的制氧方法是生物制氧，包括利用微生物和植物制氧。早期主要方式為微生物制氧，微生物適應(yīng)的環(huán)境范圍較廣，例如弗蘭茲曼（Franzmann）等在南極艾斯湖底層水中分離到嗜冷的乳酸細(xì)菌，微生物制氧的運(yùn)行條件較容易滿足，光能自養(yǎng)生物在無機(jī)環(huán)境生長繁殖，利用CO2作為碳源，利用銨鹽或硝酸鹽為氮源，完成繁殖。光能自養(yǎng)微生物主要有光合細(xì)菌、厭氣紫硫細(xì)菌等，以火星表面改造后的環(huán)境為生存環(huán)境目標(biāo)，利用基因改造技術(shù)培育新的品種實(shí)現(xiàn)生物制氧。

更進(jìn)一步，可以使用體型微小的藻類和真菌，在條件具備的時候，發(fā)展到利用更高級的植物完成制氧。

水

火星表面最廉價的水資源來自于極區(qū)的水和干冰混合物，可通過適應(yīng)低溫環(huán)境的移動智能體，自主完成開采、運(yùn)輸、分餾過程。礦物開采的過程中，也會有結(jié)晶水析出。還需要發(fā)展廢水處理技術(shù)，避免寶貴的水資源被浪費(fèi)掉。野外工作時，可以利用H2O2催化分解獲得生命保障所必需的水。

光

光能是最主要的宜居化初始能源形式，為避免塵暴等因素的影響，最方便的方式是在軌道器上布置太陽能發(fā)電站，再以激光或微波的形式傳輸至火星表面。在火星表面，太陽能除用于發(fā)電外，還用于光合作用、照明、局部高溫實(shí)現(xiàn)等用途。一種特殊的短時間獲得光的方式是激光點(diǎn)燃的金屬粉末在CO2環(huán)境下燃燒。

建筑材料

火星土壤可以作為建筑的材料，設(shè)想通過高溫熔化，再用3D打印的方式實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)造，利用硅土形成建筑構(gòu)件，材質(zhì)類似于玻璃，可以實(shí)現(xiàn)氣密性。

火星土壤中含有豐富的鹽類，包括碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等，利用不同成分的礦物，通過冶煉，可以生產(chǎn)出鋁合金、鐵合金、單晶硅等宜居化必需品。

食物

最主要的食物是藻類，其繁殖過程要求低，并可以供應(yīng)人類生存必需的營養(yǎng)物質(zhì)，逐漸發(fā)展到植物食物，包括水稻、小麥等自花授粉糧食作物及各種蔬菜。為了避免口味的單一化，使用各種風(fēng)味丸進(jìn)行調(diào)劑。

推進(jìn)劑

最容易實(shí)現(xiàn)的本地化化學(xué)推進(jìn)劑是液態(tài)的CO、O2，如果認(rèn)為這種推進(jìn)劑組合的比沖小，還可以使用液態(tài)的CH4、O2等，獲得方式為CO2+2H2→CH4+O2。

另外，在火星表面的短距離移動可使用電動車、氣球作為運(yùn)輸工具，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸則可使用磁力炮和降落傘。

4 宜居化技術(shù)驗(yàn)證

俄羅斯、美國都已經(jīng)開展了載人火星任務(wù)相關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證工作，例如俄羅斯的火星－500項(xiàng)目研究了火星飛行（長時間、高度自主、與地球通信狀態(tài)改變—信號傳輸延遲、消耗品數(shù)量有限）過程中，乘組長期隔離在狹小的正常壓力環(huán)境下的“人-環(huán)境”系統(tǒng)，并獲取乘組人員的健康狀況和工作能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在地球上研究較多的火星類比點(diǎn)有智利的阿卡塔瑪沙漠實(shí)驗(yàn)站、北極斯瓦爾巴群島火星類比點(diǎn)、南極干谷地區(qū)、猶他州火星沙漠實(shí)驗(yàn)站、西班牙里奧廷脫火星類比點(diǎn)、突尼斯吉利特鹽湖區(qū)類比點(diǎn)和中國青藏高原大浪灘鹽湖區(qū)火星類比點(diǎn)、青海大柴旦紅崖地區(qū)等，這些類比點(diǎn)研究項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)各不相同。

從成本考慮，技術(shù)驗(yàn)證工作是漸進(jìn)的，首先是地基研究，然后根據(jù)需要開展地球軌道、月球表面的驗(yàn)證試驗(yàn)，最后在火星表面開展技術(shù)驗(yàn)證和確認(rèn)。現(xiàn)階段可以開展的技術(shù)研究與驗(yàn)證項(xiàng)目至少包括：

推進(jìn)劑生產(chǎn)

盡可能利用火星CO2等資源，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的本地化生產(chǎn)，是最急需開展的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，對載人火星任務(wù)規(guī)模的簡化具有重要的意義，包括CO2分解為CO和O2，以及利用H2和CO2生產(chǎn)CH4、O2，還包括產(chǎn)物的液化及長期貯存涉及的保溫技術(shù)等。

這項(xiàng)技術(shù)完全可以在地面進(jìn)行比較充分的驗(yàn)證，縮小生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模并降低復(fù)雜程度，盡早進(jìn)行火星表面原理性驗(yàn)證。

火星建筑構(gòu)件的高溫打印

利用火星表面的土壤，結(jié)合構(gòu)件打印技術(shù)，驗(yàn)證能源利用效率高的建筑構(gòu)件生產(chǎn)方法，也是一項(xiàng)可以在地面進(jìn)行驗(yàn)證，在近期就可以安排火星表面技術(shù)驗(yàn)證的項(xiàng)目。技術(shù)的核心在于高溫的實(shí)現(xiàn)方法、能源利用效率的提高、輻射防護(hù)效果確認(rèn)、構(gòu)件材料氣密性研究。

火星移動智能體

在人類移民之前，必定有大量的準(zhǔn)備工作由機(jī)器人自主實(shí)現(xiàn)，因此需要發(fā)展火星移動智能體，利用這種適應(yīng)惡劣環(huán)境的任務(wù)級智能系統(tǒng)，完成早期的資源開采、運(yùn)輸、生產(chǎn)等活動，為最終的移民做好準(zhǔn)備。

生物制氧

利用基因技術(shù)，篩選改造適應(yīng)火星表面惡劣環(huán)境條件的厭氧生物，在比較容易實(shí)現(xiàn)的改造環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)生物制氧的原理性驗(yàn)證。首先應(yīng)在地球上構(gòu)造類似于火星表面溫度、氣壓、氣體成分、土壤成分等因素的綜合環(huán)境模擬艙，完成微生物篩選、改性等工作，開展生物制氧技術(shù)驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

在火星表面構(gòu)建適合人類生存的宜居環(huán)境是一項(xiàng)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。文章對火星宜居化涉及的水、氧氣、推進(jìn)劑、電能等資源的獲得方法進(jìn)行了展望性分析，提出了關(guān)鍵技術(shù)早期技術(shù)驗(yàn)證的設(shè)想，其中部分項(xiàng)目已經(jīng)具備在火星表面開展原理性驗(yàn)證的可能性。