“火星計劃”背后的高科技

邱林

俄羅斯設想的火星氣象站

7月23日，中國首個火星探測器“天問一號”發射升空，成功進入預定軌道，標志著中國正式開啟火星探測之旅。目前，美國、俄羅斯、印度和日本等國都在推進“火星計劃”。人類把目光投向火星，是為未來大規模開發這顆星球乃至實施星際移民作準備，火星還可以作為人類走向宇宙更深處的前進基地。為了實現這一宏偉目標，需要在3個領域推進一系列蘊含高科技的開發項目。

火星居住區

據美國《航空航天技術周刊》報道，火星上首先將建立供機器人活動的區域，最終目標是建成人類居住區。火星上的氧氣密度是地球上的二百分之一，因此人類想在火星上直接呼吸是不可能的。另外，火星上的平均溫度是零下53攝氏度，裸露在外的皮膚會被凍傷。因此，人類在火星上的居住設施需要精心設計、嚴密防護。

美國航空航天局（NASA）設計了一種小型火星基地，它將成為美國首批火星探測人員工作和生活的場所。它是一幢兩層樓高的馬蹄形建筑，下層被分割成幾個區域，有一個區域專門用于保存和測試太空服和頭盔，其他區域放置食品以及各種測量、冷卻和加熱設備。上層是起居室，里面配備床、計算機等，墻上有火星地圖和工作人員任務表。

根據NASA專家的設想，火星基地中的一切都必須遵循“太空規則”：每天食用少量食物;時刻保持與地球控制中心的通信暢通;人員外出必須穿上太空服、戴上頭盔、背上呼吸裝置。

俄羅斯的火星基地計劃也頗具亮點。俄羅斯、西班牙和芬蘭的研究人員正在聯合設計火星氣象觀測站，該項目的獨特之處是，從地球上向火星發射一顆繞火星飛行的衛星，以便測量火星表面的溫度、氣壓和風速等數據，然后傳輸給火星氣象觀測站。氣象站可以對火星的大氣、磁場和地質信息進行探測，從而為火星基地的運行提供支持。

但是，俄羅斯在火星上建立氣象站面臨一定的困難。火星晝夜的溫度在零下90攝氏度到零上10攝氏度之間變化。因此，所有設備都必須經受嚴峻的低溫考驗。俄羅斯先進的電子設備所能承受的溫度范圍為零下55攝氏度至零上125攝氏度。目前俄羅斯正在進行耐低溫材料的研究開發工作。

初期工業開發方案

據西班牙《五日報》報道，開發火星，資源為先。這并不是說要開發火星上的資源為地球所用，而是就地取材，供火星居住區使用。根據目前各國探測火星所取得的研究成果，已經可以明確在火星上生產一些工業原料的技術手段。

首先是輸電線。在地球上，輸電線主要采用兩種金屬——銅和鋁。在火星土壤中，氧化鋁的含量達到10%，因此，用鋁生產輸電線是最佳選擇。在傳輸等量電流的情況下，所需鋁線的質量約為銅線的一半。在火星的初期工業開發中，從地球上運送銅料到火星上，不如直接從火星土壤中電解鋁來得經濟。

其次是電池。鑒于火星上的大氣環境，內燃機和燃料電池都無法使用，只能選擇封閉式的蓄電池。地球上主要的蓄電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鈉硫高溫電池。火星的礦物中目前沒有發現鋰元素，而火星土壤中含有大量氧化鉀、氧化鈉;火星南北極的冰可以提供氫;另外，火星巖石中鎳的含量約為5%。鎳氫電池所需的電解質是氫氧化鉀，用氫和氧化鉀就可以生成。綜合火星上易獲取氧化鉀、鎳和氫來看，未來的主要蓄能裝置應該是鎳氫電池。

最后是電機。地球上使用的電機主要為銅線電機和鋁線電機，雖然銅線電機具有節能、高效、壽命長的特點，但火星上缺少銅，而氧化鋁儲量較大，所以工業上應以使用鋁線電機為主。另外，在缺乏橡膠、塑料等絕緣材料的情況下，在鋁線表面通過化學作用產生氧化鋁，可以直接充當絕緣材料。

另據日本《神戶新聞》報道，火星上還有一些資源可以為人類所用。火星北極地區發現了高氯酸鹽，這是生物進行新陳代謝所需要的一種化合物，可用于配制強化人類生命系統的制劑;火星土壤在理論上可以耕種作物，只是需要進行一些處理，去除不利于作物生長的成分;火星上的硅酸鹽可用于生產3D打印材料;盡管火星大氣層中的二氧化碳很稀薄，但通過一些技術手段仍然可以生產甲烷，以作為火星基地的燃料。

火星基地及車輛想象圖

火星基地及飛船想象圖

“地—火”運輸動力系統

人類建立火星基地后，地球與火星之間如何實施人員和物資運輸是一個繞不開的問題，需要開發高效的“地—火”運輸動力系統。

從20世紀70年代至今，各國發射的航天器大都采用肼類燃料（無色油狀液體，用于推進火箭發動機），美國“好奇號”火星探測器就是靠肼類燃料的推動順利抵達火星的。肼又稱聯氨，它有一個可怕的缺點——劇毒。人類無論是吸入揮發的肼類氣體，還是與液態肼接觸，都會受傷。肼尤其對眼睛有刺激作用，還對人體皮膚和肝臟有強烈腐蝕作用。這一特性導致肼類火箭燃料較難進行運輸和儲存。未來的載人火星飛船，以及往返地球與火星之間的貨運飛船，都要使用大量燃料，這是一個必須解決的問題。

據美國《航空航天技術周刊》報道，近日，美國空軍科學實驗室找到了替代肼的新型燃料。它比肼更安全，釋放的能量也更大。這種新的火箭推進劑名為“高能量離子液體”（EIL），它以液體形式存在，便于運輸和存儲。美國科學家霍金斯表示：“EIL的主要成分包括經過特殊處理的硝酸羥胺等，是頗具潛力的火箭燃料。它非常穩定，便于使用。另外，EIL的毒性低于咖啡因，對人體沒有危害。它還是一種綠色環保燃料，燃燒后僅排放水蒸氣等無毒氣體。”

EIL點燃時，釋放能量產生巨大的推力，這也帶來一個問題：如何確保使用EIL的火箭發動機不被高溫損傷。美國空軍科學實驗項目經理邁克爾·貝曼表示：“大部分火箭發動機都經受不住EIL產生的高溫。我們委托波爾航天科技公司研制出一種火箭發動機制造材料，這種新型耐高溫材料能承受EIL產生的高溫。”

據俄羅斯《紅星報》報道，“電磁推進航天發動機”是未來“地—火”運輸的理想動力系統。這種發動機由可產生微波的磁控管以及積累微波能量的共振器構成。它能產生一種“有別于燃料燃燒的推力”。這種發動機具有推力大、結構簡單等特點，可為深空探測等航天工程服務。以這種發動機為基礎制造的動力裝置，能讓從地球出發的飛船在幾個月內抵達太陽系邊緣。成熟的“電磁推進航天發動機”，可以在70天內把飛船送到火星，而目前采用傳統燃料的無人探測器，需要約210天才能從地球抵達火星。

據介紹，“電磁推進航天發動機”的工作原理是：通過磁場產生的電場對帶電離子進行加速，形成等離子射流，推動飛行器前進。這種發動機讓航天器擺脫了化學燃料推進劑的束縛，為人類在宇宙中走得更遠提供了可能。該動力系統可以為長期的航天任務提供更高效、更安全的動力。配備這種發動機的新型航天器可以遠距離運輸大量物資，以便在火星等星球上建立基地。

《紅星報》指出，“電磁推進航天發動機”是各國競相研究的重點，中國、美國、俄羅斯和歐洲國家目前都在該領域進行科研攻關。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com