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下一站，比邻星：火星就地生产火箭燃料指南

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-12-22 12:35

正文

“在前往火星的星舰火箭上，携带的燃料只够单程旅行。火箭需要在火星上加注燃料，这些燃料将在这颗红色星球上自制”。——伊隆·马斯克

早期人类航天燃料方案

众所周知，上个世纪人类就已经成功登陆月球并返回，实现了对太阳系内各大行星的探测任务，甚至飞得最远的旅行者一号已经飞出了太阳系。

图：旅行者一号探测器

但是截至今天，所有的这些航天飞行都有一个共同点，那就是飞行全程所使用的燃料均由地球生产并在发射时一股脑地打包带走。这就像你出国旅游一个月，要带满满五大箱方便面一样，画面十分感人。

新时代的召唤

今年9月马斯克宣布SpaceX将在未来两年向火星发射大约5艘无人星舰飞船，并初步建立火星殖民地。

届时，火星开拓者们不可能再依赖地球的后勤保障，必须利用火星贫瘠的资源开展“大生产”运动，就地生产包括燃料在内的各项物资。

我们知道，星舰使用的猛禽发动机以1:3.75比例的甲烷液氧燃料为动力。甲烷是火星燃料的一个不错选择。因为生产甲烷要比生产其他类型的火箭燃料，如氢，需要更少的能源，而且甲烷更容易储存。同时甲烷也是制造防冻剂、消毒剂、防腐剂、农药、肥料、炸药、塑料和药品的基础化工原料。

图：火星定居点想象图

所以综合看起来在火星上生产甲烷是一种非常合适的选择。具体如何实现且听我慢慢道来。

第一步：发射一个工厂去火星

马斯克计划派遣一支无人货运星舰组成的先遣队率先登陆火星，构建火星前哨最基础的设施，其中一艘星舰将携带生产甲烷燃料所需的全套工厂设备。

同行的机器人将在选定的基地上建造燃料工厂。

图：星舰与火星基地想象图

第二步：收集二氧化碳

火星上的大气层大约包含 95% 的二氧化碳。我们可以采用一种称为“直接空气捕获”的过程进行提纯，将二氧化碳与火星空气分离。

在地球上，直接空气捕获技术主要用于大规模降低大气中的二氧化碳含量，以减少温室气体对地球环境的影响。美国能源部期望在2050年通过直接空气捕获技术实现二氧化碳零排放。

科学家们采用两种方法进行直接空气捕获：液体溶剂和固体吸附剂。基于液体溶剂的直接空气捕获系统将空气通过吸收二氧化碳的化学品，辅以加热和真空手段完成二氧化碳的捕获。基于固体吸附剂的直接空气捕获系统使用物理过滤器。这些过滤器能够与二氧化碳分子化学结合实现捕获。

图：直接空气捕获原理

第三步：收集水冰并制氢

虽然火星十分干旱，但依然有大量的水冰储藏在两极地区和地层之下。

图：火星水冰概念图

无人驾驶的火星采矿车可以使用“探地雷达”来绘制埋藏冰沉积物的区域，进一步分析样品以确定其纯度并判断是否适合燃料生产。然后通过钻孔挖掘提取冰，提取的方法是“升华”，冰被加热直接从固体变成气体。一种称为“升华钻”的装置会融化冰层并收集释放出的水蒸气。

图：火星采矿车想象图

第四步：电解水制氢

下一步是制造氢气，将上一步收集的水进行电解，就可以得到氢气。学习过初中化学的读者都知道，电解的原理是，电流通过水后两个电极能将氧气和氢气分开。下面是示意图，在家里可以用干电池加铅笔芯试一试。注意别做太多，小心把你家楼炸了。当然电解食盐水更为感人，也别做太多，会把你家猫毒死。

图：电解水原理图

最后一步：生产甲烷

生产甲烷需要一种称为萨巴蒂尔反应（Sabatier reaction）的化学反应。萨巴蒂尔是一位法国化学家，曾经于1912年获得过诺贝尔化学奖，他对甲烷合成进行过很深入的研究。

图：法国化学家萨巴蒂尔

萨巴蒂尔反应简单来说，就是让氢气和二氧化碳发生反应，生成水和甲烷。下面是反应过程详细说明，有兴趣的读者可以在家里试一下。

图：萨巴蒂尔反应原理

火星上的空气中富含二氧化碳，氢可以通过将火星冰融化成水后再通过电解产生，电解剩余的氧气可以供火星开拓者的日常生活。另外更为难得的是，这个反应是放热反应，也就是说，它在反应中会释放出热量，这部分能量是可以回收利用的，包括为反应釜加温以及帮助火星开拓者取暖。

并且在催化剂（镍或者钌）的作用下，反应所需的条件更低，甚至可以自发反应。反应非常彻底，气体只要在反应器里面通过一次，就可以达到99%以上的反应率，这对于工业化生产也很重要，可以大大地降低生产设施的设计复杂度。总之，萨巴蒂尔反应简直就是为了殖民火星设计的天选之子。

图：萨巴蒂尔制甲烷燃料工厂示意图

上面是利用萨巴蒂尔反应制取甲烷的示意图，将前面获得的二氧化碳和氢送入反应釜，进行萨巴蒂尔反应，反应釜只需要装有催化剂，就可以让反应高效运行。反应后产生水蒸气和甲烷的混合物。由于是放热反应，反应产物温度很高，它们经过热交换器，不仅可以加热反应前的二氧化碳和氢气，也可以驱动斯特林发动机，作为整个反应装置的动力。而水蒸气和甲烷的混合物只要经过冷凝，就可以把水和甲烷分离开。甲烷经过降温加压可以液化，以便长期储存。而水，可以电解生成氧气和氢气，氢气继续参与反应，而氧气可以储存起来作为火箭氧化剂，或者供宇航员呼吸用。

下一站比邻星

马斯克计划未来以火星为基地，进一步开拓太空的新边疆，比如到达离我们最近的宜居行星——比邻星b。