化學(xué)與火星移民

摘 要：化學(xué)一直是一門偏向于實(shí)際應(yīng)用的學(xué)科，化學(xué)的研究與進(jìn)步推進(jìn)著人們生產(chǎn)生活方式的改變。從日常的生活到宇宙的探索，都離不開化學(xué)的支持。但限于實(shí)際情況，我們中學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)以課本理論和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為主體，而對(duì)于化學(xué)的應(yīng)用常常比較陌生。本文通過對(duì)火星移民的暢想，簡(jiǎn)要的涉及了幾個(gè)化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)化學(xué)更將其轉(zhuǎn)化為促進(jìn)生產(chǎn)的工具的興趣。

關(guān)鍵詞：化學(xué)應(yīng)用；火星移民；化學(xué)反應(yīng)

去年一部大熱的電影《火星救援》再次討論了人類在火星生存的可能性?；鹦且恢笔侨藗冇懻摵完P(guān)注的熱點(diǎn)。為什么火星成為諸多太陽(yáng)系行星中人類建立移民地的首選，本文結(jié)合自己所知的化學(xué)知識(shí)和已知的火星環(huán)境進(jìn)行暢想。簡(jiǎn)述了我們?nèi)绾瓮ㄟ^現(xiàn)有的知識(shí)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)在火星居住的可能性。

首先，我們可以先看一下通過目前的火星探索和理論研究所知的火星基本環(huán)境數(shù)據(jù)：火星擁有大氣層，雖然密度不到地球的百分之一，但相較于其他行星畢竟擁有大氣層?；鹦且惶焓羌s為24個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)，日間溫度是零下50攝氏度至零上10攝氏度，重力將近地球的40%。要知道，不管一顆星球的資源儲(chǔ)量有多么豐富，我們必須考慮的—點(diǎn)是開采難度。而火星的環(huán)境對(duì)于我們現(xiàn)代機(jī)械制造也來說是最溫和，可以應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)完成比較可靠的火星作業(yè)的機(jī)械。

另一方面，從人類的生存來講，在火星上除了開始階段以外，可以通過一定技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)并不需要太多來自地球的支援。首先，是水——火星上有充足的水，火星兩極存在大量冰蓋，并且火星土壤中也檢測(cè)到含水，非常常見的蒙脫石黏土，能夠吸收占自身重量百分之幾十的水分。另一比較重要的條件是能源，以我們現(xiàn)在的科技水平設(shè)想，無疑是太陽(yáng)能和化學(xué)能源。這時(shí)我們看到火星大氣中有取之不竭的二氧化碳。這意味著只要擁有幾噸液態(tài)氫，就可以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)CO2+4H2=CH4+2H2O，從而制造出甲烷和水。只需6噸液態(tài)氫，就足以制造108噸甲烷，更重要的是，這個(gè)反應(yīng)的副產(chǎn)物是水，是人類生活所必須的。而且根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)，上述這一步驟完全可以在人類登上火星之前，通過機(jī)器人建立一套小型自動(dòng)化設(shè)備提前準(zhǔn)備起來。這就意味著第一批到達(dá)火星的探索者就可以開始使用火星本土產(chǎn)的電力、水和氧氣。同時(shí)甲烷不僅作為化學(xué)能源供給，還可以為返程的宇宙飛船作為補(bǔ)給燃料。但是長(zhǎng)期立足火星來說，太陽(yáng)能仍是最佳的選擇，但是建立大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電板依賴從地球運(yùn)送是不現(xiàn)實(shí)的。這時(shí)，火星的環(huán)境又提供了新的便利。

經(jīng)過幾次的火星探索，我們知道火星上的表層土壤，最常見的材料就是二氧化硅。這時(shí)我們可以利用從地球上帶一定的碳粉，與火星土壤里的二氧化硅加熱，SiO2+2C=Si+2CO。當(dāng)然，此時(shí)Si的純度還不足以制造太陽(yáng)能板。所以需要將粗硅放在熱氫氣里過浴，得到硅烷。然后再將硅烷高溫分解，進(jìn)一步提純得到太陽(yáng)能板和計(jì)算機(jī)芯片的原材料Si。同時(shí)，這一過程中硅烷可以在二氧化碳里燃燒，產(chǎn)生大量能量?；鹦谴髿庵蠧O2占比高達(dá)百分之九十多，所以這一反應(yīng)不僅原料豐富易得，而且能夠提供能量，所提取的Si又是建造太陽(yáng)能板的基礎(chǔ)材料，可謂一舉三得。

度過了初期環(huán)境與能源的難關(guān)，我們就要考慮如何大規(guī)模的建筑。畢竟，少數(shù)人可以依賴太空艙居住，但大規(guī)模建筑從地球供給是不現(xiàn)實(shí)的。我們已知火星的土壤中還含有大量的Ca和S，在化學(xué)上以石膏的形式存在。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，僅僅是將火星土壤弄濕再晾干，硬度就可以達(dá)到比地球上的常規(guī)水泥的一半多。要是加水烘烤，就可以得到初期基礎(chǔ)建設(shè)材料，火星產(chǎn)的紅磚。

另外，大規(guī)模建成鋪開的太陽(yáng)能板可以提供充足的電能，然后從火星兩極冰蓋取得大量的水分，于是我們就有了H2O=H2↑+O2↑的電解水的反應(yīng)。擁有了充足的氫和氧，結(jié)合火星大氣中豐富的CO2，土壤中常見的Ca、S、Si等，塑料、玻璃、陶瓷等都可以在火星進(jìn)行本地化生產(chǎn)。

另外，金屬，火星之所以是紅色的就因?yàn)樗缓罅康某噼F礦（Fe2O3），而且還含有非常豐富的銅。在擁有了一定的基礎(chǔ)和充足的能源與氧氣之后，金屬冶煉也能夠在火星順利實(shí)現(xiàn)。并且在火星環(huán)境下，由于火星重力只有地球40%，此時(shí)鐵的重量就降低到了近乎于地球上鋁的程度鐵而其韌性和硬度均不發(fā)生不變，使得鐵成為了絕佳的金屬材料。

再來說說火星上的土壤。通過目前進(jìn)行的多次火星探測(cè)來看，火星上不僅大量存在對(duì)有機(jī)物來說最重要的三種素：碳、氫、氧。而且，火星土壤中磷、鈣、鎂、硫、鐵、錳、鋅、銅各種元素，火星土壤的含量都比地球的含量更高，而且生物可直接利用的以硝酸鹽形式存在氮元素的含量也不少。這就為在火星上培育作物打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，只需依賴幾個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)的幫助，人類只需要完成初期的推進(jìn)，就可以在火星上建立起一個(gè)適合人類的可以實(shí)現(xiàn)完全自給自足的一個(gè)高科繼循環(huán)體系?；鹦呛?jiǎn)直可以說是一個(gè)為人類準(zhǔn)備的工、農(nóng)業(yè)基地！就是伴隨科技的進(jìn)一步發(fā)展，火星上仍然有著可以滿足核聚變反應(yīng)的五倍于地球的氘。

改造火星的幾個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，有些我們甚至曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中都親手完成過。然而就是通過這樣幾個(gè)看似簡(jiǎn)單的反應(yīng)，卻可以將荒蕪的火星一步步轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟愄剿饔钪娴那吧陉嚨?。而反推至幾百年前的地球，正式化學(xué)的一步步發(fā)展，建立起了我們現(xiàn)代科技生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。這才是我們學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的意義所在。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）.趕往火星.

作者簡(jiǎn)介：

李佳正（1999-），男，漢族，山西介休人。