從空氣到電能：火星原位發電站如何利用二氧化碳？

未來探索火星，要在火星棲息艙內分析從火星表面采集的巖石樣本。這要多虧了 MARS-MES 系統（火星大氣資源與多模式能源系統）。

棲息艙內的各項設施都能正常運轉：

從照明系統、科學實驗室、睡眠區、健身設備，到宇航員用來休息和放松的虛擬現實頭盔；

還有氧氣和燃料的生成系統，以及水處理裝置。

所有這些功能都是通過將火星大氣中的能量轉化為電能來實現的。

那么我們看看到底怎么在火星上轉化成電能那？

該圖展示了在人類未來火星任務中，如何利用火星大氣來發電

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內容

雖然這一設想可能還要幾十年才能實現，但地球上的科學家們正在努力讓這一概念早日成為現實。

其中，有一支來自中國的科學家團隊提出了將火星稀薄的大氣轉化為熱能和電能的新方法。這一技術有望通過“原位資源利用”方式徹底改變火星上的電力生產方式，從而無需從地球運送電力設備。

在這項研究中，研究人員提出了幾種在未來的火星任務中用于產生能量和電力的方法，包括從火星大氣中獲取能量、在火星表面進行能量生產和儲存空天論道，以及將其他資源轉化為可用能源。研究團隊指出，這些方法各有利弊和挑戰，同時強調了在未來的火星任務中利用 ISRU 技術來獲取能源的重要性。

在捕獲火星大氣方面，研究人員提出了一種多模式方案。火星大氣層的壓力僅為地球的約 1%，其中二氧化碳含量超過 95%，而溫度最高僅為 20 攝氏度（地球為 57 攝氏度）。

盡管存在這些巨大差異，研究人員仍提出通過多種方法來捕獲火星大氣并將其壓縮空天論道，從而增加其密度。這些方法包括機械壓縮、低溫捕獲和溫度吸附。

研究人員指出，機械壓縮尚未經過長期驗證，低溫捕獲仍處于測試階段，而溫度吸附則面臨著吸附速率低、產生的熱量少的難題。

在原位發電與儲能方面，研究人員提議使用微型核反應堆來利用火星上的空氣進行發電，并將產生的電能儲存在鋰-火星氣體電池中，從而實現長期、穩定的電力供應。

在生命支持資源的轉化方面空天論道，研究人員建議利用薩巴蒂埃反應堆來轉化加壓大氣中的物質及核廢料，進而產生熱能、電能和甲烷燃料。需要說明的是，薩巴蒂埃反應堆是國際空間站上環境控制與生命支持系統的核心組成部分。

本研究中所提出的薩巴蒂埃反應堆則是一種規模更大、性能更先進的版本。

該研究指出：“火星大氣層作為一種重要的能量產生媒介，可以被利用來進行各種化學轉化反應，從而實現‘能量轉換’的功能。

這一觀點體現了火星上利用二氧化碳進行能量轉換技術的共同特征，并為未來的發展路徑指明了方向。

預計，首次載人火星任務將在未來幾十年內實現。不過，相關的能量轉換技術目前仍處于概念驗證和分析階段。”

研究人員闡述了進一步開發和推進 ISRU 技術的具體步驟，并強調了在未來的火星任務中運用 ISRU 技術的重要性。

正如所指出的，ISRU 技術能夠利用當地現有的資源，從而大幅降低從地球運送各種資源所需的物流和財務成本——這些資源包括水、燃料、食物和電力等。

在火星上運用 ISRU 技術的典型例子包括：利用地下冰層作為飲用水、沐浴用水以及燃料；通過電解作用將冰層中的氧氣和氫氣分離出來。另一個例子則是利用火星表面的風化層來進行建筑施工空天論道，比如通過 3D 打印技術來建造建筑物，或用風化層來覆蓋棲息地，以保護其免受強烈的太陽輻射。

在未來的幾年和幾十年里，就地發電站將如何為人類探索火星的任務提供能源支持呢？只有時間才能給出答案，而這正是我們需要進行科學研究的原因！

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