本文來自微信公眾號：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

如果地球太擁擠，你會不會考慮移民去火星？在許多科幻小說或者科幻電影中，都有人類向外太空移民的場景?；鹦亲鳛槲覀兊泥従樱强茖W(xué)家研究得較多的一顆類地行星。我們對移民火星的計(jì)劃充滿了浪漫的想象，但實(shí)際上我們也知道，現(xiàn)在的火星并不合適人類生存，利用火箭運(yùn)輸物資去火星也并不劃算。

不過，或許這些困難中就隱藏著解決方案 —— 想要在火星創(chuàng)造適合人類生存的環(huán)境，就需要大量的材料和設(shè)備，而如果從地球往火星運(yùn)輸材料和設(shè)備劃不來，那么，可以在給予火星必要材料和設(shè)備后，在火星上實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)。近日，中科大的科學(xué)家們就實(shí)現(xiàn)了在火星自主制氧。

火星上的制氧車間

近日，在發(fā)表于《自然?合成》（Nature Synthesis）的一篇文章中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的羅毅、江俊、尚偉偉教授團(tuán)隊(duì)與深空探測實(shí)驗(yàn)室張哲研究員等介紹了一款智能機(jī)器人（人工智能化學(xué)家“小來”），它可以對火星礦石（來自火星或者已證實(shí)火星上存在的隕石）進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，再利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）測定火星礦石的金屬含量，然后利用化學(xué)試劑提取所需的金屬成分，最后制成所需的催化劑，并利用催化劑進(jìn)行制氧。

礦石成分復(fù)雜，制氧過程也可能不穩(wěn)定，因此，科學(xué)家對“小來”進(jìn)行了訓(xùn)練（如機(jī)器學(xué)習(xí)、貝葉斯優(yōu)化算法等），讓“小來”構(gòu)建了一個(gè)預(yù)測模型，可以在復(fù)雜的條件下，模擬出最佳的催化劑配方以及制氧的反應(yīng)條件。

在這個(gè)制氧車間中，人類科學(xué)家們提供了基礎(chǔ)的設(shè)備和材料，而許多工作能順利進(jìn)行還要依賴這位人工智能化學(xué)家。以火星礦石為原料制作催化劑，有 3764376 種方法，如果對每種方法進(jìn)行驗(yàn)證都需要花 5 個(gè)小時(shí)，人類科學(xué)家要花 2000 年才能找出優(yōu)化方案，而“小來”在兩個(gè)月內(nèi)就完成了任務(wù)。

在 23℃下，在 1mol / L 氫氧化鈉的溶液中，AI 化學(xué)家制成的催化劑生產(chǎn)氧氣的平均速率是，1 平米的催化劑材料 1 小時(shí)可生成 59.08g 氧氣。也就是說，如果將一個(gè) 100 平米大、3 米高的火星基地的天花板都涂滿這種催化劑，大約經(jīng)過 15.2 個(gè)小時(shí)，基地內(nèi)的氧氣就能滿足人類生存的需要。

在火星上生產(chǎn)氧氣，不僅為火星創(chuàng)造了宜居的環(huán)境，也為航天器往返火星、地球創(chuàng)造了可能。因?yàn)榛鸺七M(jìn)劑也需要大量的氧氣，想要飛往火星的航天器能夠返航，在火星上創(chuàng)造可以起飛的條件非常重要。

火星探測的發(fā)展

考慮到火星表面低溫（在大部分時(shí)間溫度都低于 0℃）、大氣中二氧化碳含量高等情況，科學(xué)家利用太陽能和近似火星環(huán)境的溶液（-37℃下，2.8mol / L 的高氯酸鎂鹽水溶液）模擬了制氧過程。這個(gè)模擬過程能具有實(shí)際意義，要?dú)w功于近期火星上水活動證據(jù)的發(fā)現(xiàn)。

近期，根據(jù)火星探測器傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多水流的痕跡，如河床、海岸線以及眾多的河流三角洲遺跡。這些發(fā)現(xiàn)重新激起了許多人對移民火星的憧憬。

1960 年，蘇聯(lián)發(fā)射的火星 1A 號探測器是人類探測火星的開端。1964 年，美國發(fā)射的水手 4 號火星探測器是歷史上第一個(gè)成功到達(dá)火星的探測器。隨后美、蘇、歐、日等國相繼發(fā)射了數(shù)十個(gè)火星探測器。2020 年，“天問一號”探測器成功發(fā)射，中國也開啟了火星探測之旅。2021 年，中國發(fā)射的“祝融號”火星車成功著陸火星。

除了往火星上發(fā)射探測衛(wèi)星或者火星車，各個(gè)國家也在考慮載人火星探測計(jì)劃。中國計(jì)劃在 2033 年、2035 年、2037 年、2041 年、2043 年分別向火星發(fā)射載人探測器。美國航空航天局也計(jì)劃在 2033 年實(shí)現(xiàn)人類登陸火星計(jì)劃，并開展了人類健康和行為的測試和實(shí)驗(yàn)、生命支持系統(tǒng)開發(fā)、太空中 3D 打印、火星生活模擬、威力超強(qiáng)的運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”開發(fā)等工作。

火星探測離人類大規(guī)模移民火星的預(yù)想還有一段距離，這個(gè)過程中一個(gè)重要的挑戰(zhàn)就是成本問題。不過，最近幾年，我們也看到隨著航天技術(shù)的創(chuàng)新（如可回收火箭在航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越頻繁），航天成本正在急劇下降。各項(xiàng)火星探測計(jì)劃按部就班推進(jìn)的同時(shí)，移民火星就有希望出現(xiàn)在可預(yù)見的未來。

在火星自主造房子

除了在火星自主制氧，科學(xué)家也嘗試過利用火星本身的資源進(jìn)行其他生產(chǎn)活動。

2021 年，英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家曾用宇航員的血液和尿液作為粘合劑，以火星土壤為原材料制作出了新型混凝土，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 40 兆帕斯卡（普通混凝土的抗壓強(qiáng)度約為 32 兆帕斯卡）。

2023 年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章，宣布他們又改進(jìn)了這種“星際混凝土”。他們改用土豆淀粉作為粘合劑，而以火星土壤為原材料制作出的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到了 72 兆帕斯卡，以月塵為原材料制作出的混凝土抗壓強(qiáng)度甚至達(dá)到了 91 兆帕斯卡。

以土豆淀粉為粘合劑的混凝土更加堅(jiān)固。同時(shí)，土豆也可以作為宇航員的食物，以土豆淀粉為粘合劑既方便又省事。

盡管現(xiàn)在火星的生存條件惡劣，但是如果能克服太空飛行、定居火星等過程中存在的困難，或許在地球環(huán)境進(jìn)入絕境之前，火星可以成為我們的一個(gè)退路。另外，如果我們可以順利登陸火星，就能勘察火星的資源，并對可能的生命演化過程進(jìn)行研究，那么即使我們沒有大規(guī)模移民火星，火星資源以及關(guān)于火星生命演化的理論也可以為解決地球上生命生存問題提供解決方案或者新思路。

參考文獻(xiàn)：

• https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1#Sec2

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