要想在火星上定居，我們需要足夠的氧氣。但是，單靠火星自身的力量，很難創(chuàng)造一個供人類及許多地球生命自由呼吸的環(huán)境。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們利用人工智能工具，以火星隕石為原材料，合成了制氧反應(yīng)的催化劑。那么，我們離移民火星更近一步了嗎？
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。火星作為我們的鄰居，是科學(xué)家研究得較多的一顆類地行星。我們對移民火星的計劃充滿了浪漫的想象，但實際上我們也知道，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，在火星上實現(xiàn)自主生產(chǎn)。近日，中科大的科學(xué)家們就實現(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、尚偉偉教授團隊與深空探測實驗室張哲研究員等介紹了一款智能機器人（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火星上存在的隕石）進行化學(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”進行了訓(xùn)練（如機器學(xué)習(xí)、貝葉斯優(yōu)化算法等），讓“小來”構(gòu)建了一個預(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，如果對每種方法進行驗證都需要花5個小時，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小時可生成59.08g氧氣。也就是說，如果將一個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個小時，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。因為火箭推進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。這個模擬過程能具有實際意義，要歸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成功到達火星的探測器。隨后美、蘇、歐、日等國相繼發(fā)射了數(shù)十個火星探測器。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，各個國家也在考慮載人火星探測計劃。中國計劃在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劃在2033年實現(xiàn)人類登陸火星計劃，并開展了人類健康和行為的測試和實驗、生命支持系統(tǒng)開發(fā)、太空中3D打印、火星生活模擬、威力超強的運載火箭“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，這個過程中一個重要的挑戰(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。各項火星探測計劃按部就班推進的同時，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，抗壓強度可以達到40兆帕斯卡（普通混凝土的抗壓強度約為32兆帕斯卡）。
2023年，該團隊發(fā)表文章，宣布他們又改進了這種“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度達到了72兆帕斯卡，以月塵為原材料制作出的混凝土抗壓強度甚至達到了91兆帕斯卡。
以土豆淀粉為粘合劑的混凝土更加堅固。同時，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)境進入絕境之前，火星可以成為我們的一個退路。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：
https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1#Sec2
