“火星计划”背后的高科技

邱林

俄罗斯设想的火星气象站

7月23日，中国首个火星探测器“天问一号”发射升空，成功進入预定轨道，标志着中国正式开启火星探测之旅。目前，美国、俄罗斯、印度和日本等国都在推进“火星计划”。人类把目光投向火星，是为未来大规模开发这颗星球乃至实施星际移民作准备，火星还可以作为人类走向宇宙更深处的前进基地。为了实现这一宏伟目标，需要在3个领域推进一系列蕴含高科技的开发项目。

火星居住区

据美国《航空航天技术周刊》报道，火星上首先将建立供机器人活动的区域，最终目标是建成人类居住区。火星上的氧气密度是地球上的二百分之一，因此人类想在火星上直接呼吸是不可能的。另外，火星上的平均温度是零下53摄氏度，裸露在外的皮肤会被冻伤。因此，人类在火星上的居住设施需要精心设计、严密防护。

美国航空航天局（NASA）设计了一种小型火星基地，它将成为美国首批火星探测人员工作和生活的场所。它是一幢两层楼高的马蹄形建筑，下层被分割成几个区域，有一个区域专门用于保存和测试太空服和头盔，其他区域放置食品以及各种测量、冷却和加热设备。上层是起居室，里面配备床、计算机等，墙上有火星地图和工作人员任务表。

根据NASA专家的设想，火星基地中的一切都必须遵循“太空规则”：每天食用少量食物;时刻保持与地球控制中心的通信畅通;人员外出必须穿上太空服、戴上头盔、背上呼吸装置。

俄罗斯的火星基地计划也颇具亮点。俄罗斯、西班牙和芬兰的研究人员正在联合设计火星气象观测站，该项目的独特之处是，从地球上向火星发射一颗绕火星飞行的卫星，以便测量火星表面的温度、气压和风速等数据，然后传输给火星气象观测站。气象站可以对火星的大气、磁场和地质信息进行探测，从而为火星基地的运行提供支持。

但是，俄罗斯在火星上建立气象站面临一定的困难。火星昼夜的温度在零下90摄氏度到零上10摄氏度之间变化。因此，所有设备都必须经受严峻的低温考验。俄罗斯先进的电子设备所能承受的温度范围为零下55摄氏度至零上125摄氏度。目前俄罗斯正在进行耐低温材料的研究开发工作。

初期工业开发方案

据西班牙《五日报》报道，开发火星，资源为先。这并不是说要开发火星上的资源为地球所用，而是就地取材，供火星居住区使用。根据目前各国探测火星所取得的研究成果，已经可以明确在火星上生产一些工业原料的技术手段。

首先是输电线。在地球上，输电线主要采用两种金属——铜和铝。在火星土壤中，氧化铝的含量达到10%，因此，用铝生产输电线是最佳选择。在传输等量电流的情况下，所需铝线的质量约为铜线的一半。在火星的初期工业开发中，从地球上运送铜料到火星上，不如直接从火星土壤中电解铝来得经济。

其次是电池。鉴于火星上的大气环境，内燃机和燃料电池都无法使用，只能选择封闭式的蓄电池。地球上主要的蓄电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和钠硫高温电池。火星的矿物中目前没有发现锂元素，而火星土壤中含有大量氧化钾、氧化钠;火星南北极的冰可以提供氢;另外，火星岩石中镍的含量约为5%。镍氢电池所需的电解质是氢氧化钾，用氢和氧化钾就可以生成。综合火星上易获取氧化钾、镍和氢来看，未来的主要蓄能装置应该是镍氢电池。

最后是电机。地球上使用的电机主要为铜线电机和铝线电机，虽然铜线电机具有节能、高效、寿命长的特点，但火星上缺少铜，而氧化铝储量较大，所以工业上应以使用铝线电机为主。另外，在缺乏橡胶、塑料等绝缘材料的情况下，在铝线表面通过化学作用产生氧化铝，可以直接充当绝缘材料。

另据日本《神户新闻》报道，火星上还有一些资源可以为人类所用。火星北极地区发现了高氯酸盐，这是生物进行新陈代谢所需要的一种化合物，可用于配制强化人类生命系统的制剂;火星土壤在理论上可以耕种作物，只是需要进行一些处理，去除不利于作物生长的成分;火星上的硅酸盐可用于生产3D打印材料;尽管火星大气层中的二氧化碳很稀薄，但通过一些技术手段仍然可以生产甲烷，以作为火星基地的燃料。

火星基地及车辆想象图

火星基地及飞船想象图

“地—火”运输动力系统

人类建立火星基地后，地球与火星之间如何实施人员和物资运输是一个绕不开的问题，需要开发高效的“地—火”运输动力系统。

从20世纪70年代至今，各国发射的航天器大都采用肼类燃料（无色油状液体，用于推进火箭发动机），美国“好奇号”火星探测器就是靠肼类燃料的推动顺利抵达火星的。肼又称联氨，它有一个可怕的缺点——剧毒。人类无论是吸入挥发的肼类气体，还是与液态肼接触，都会受伤。肼尤其对眼睛有刺激作用，还对人体皮肤和肝脏有强烈腐蚀作用。这一特性导致肼类火箭燃料较难进行运输和储存。未来的载人火星飞船，以及往返地球与火星之间的货运飞船，都要使用大量燃料，这是一个必须解决的问题。

据美国《航空航天技术周刊》报道，近日，美国空军科学实验室找到了替代肼的新型燃料。它比肼更安全，释放的能量也更大。这种新的火箭推进剂名为“高能量离子液体”（EIL），它以液体形式存在，便于运输和存储。美国科学家霍金斯表示：“EIL的主要成分包括经过特殊处理的硝酸羟胺等，是颇具潜力的火箭燃料。它非常稳定，便于使用。另外，EIL的毒性低于咖啡因，对人体没有危害。它还是一种绿色环保燃料，燃烧后仅排放水蒸气等无毒气体。”

EIL点燃时，释放能量产生巨大的推力，这也带来一个问题：如何确保使用EIL的火箭发动机不被高温损伤。美国空军科学实验项目经理迈克尔·贝曼表示：“大部分火箭发动机都经受不住EIL产生的高温。我们委托波尔航天科技公司研制出一种火箭发动机制造材料，这种新型耐高温材料能承受EIL产生的高温。”

据俄罗斯《红星报》报道，“电磁推进航天发动机”是未来“地—火”运输的理想动力系统。这种发动机由可产生微波的磁控管以及积累微波能量的共振器构成。它能产生一种“有别于燃料燃烧的推力”。这种发动机具有推力大、结构简单等特点，可为深空探测等航天工程服务。以这种发动机为基础制造的动力装置，能让从地球出发的飞船在几个月内抵达太阳系边缘。成熟的“电磁推进航天发动机”，可以在70天内把飞船送到火星，而目前采用传统燃料的无人探测器，需要约210天才能从地球抵达火星。

据介绍，“电磁推进航天发动机”的工作原理是：通过磁场产生的电场对带电离子进行加速，形成等离子射流，推动飞行器前进。这种发动机让航天器摆脱了化学燃料推进剂的束缚，为人类在宇宙中走得更远提供了可能。该动力系统可以为长期的航天任务提供更高效、更安全的动力。配备这种发动机的新型航天器可以远距离运输大量物资，以便在火星等星球上建立基地。

《红星报》指出，“电磁推进航天发动机”是各国竞相研究的重点，中国、美国、俄罗斯和欧洲国家目前都在该领域进行科研攻关。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com