在火星上建一座化工廠

李慶林

小編的話：

你知道嗎？7月23日，我國火星探測器“天問一號”成功發(fā)射，由“長征五號”運載火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，成為一顆人造行星，與地球、火星共同繞太陽公轉(zhuǎn)，并逐漸遠(yuǎn)離地球，飛向火星。到達(dá)火星時，探測器距離地球約1.95億千米，實際飛行路程約4.7億千米。截至8月28日10時08分，“天問一號”累計飛行1億千米！

由于與地球的諸多特征相似，火星一直被認(rèn)為是未來人類移民外太空的首選目的地。

要想移民火星，可遠(yuǎn)不止從地球飛到火星那么簡單。人類想實現(xiàn)半永久或者永久定居火星，而不僅僅是為了火星一日游，建設(shè)火星基地并且保證人們更好地在火星上生存，是能否移民火星的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)在，我們生活中的衣食住行其實都離不開種類繁多的化學(xué)品，未來移民火星之后更是如此，跨星球運輸物資固然是可以，但是時效低、成本高的問題迫使人們需要尋找一勞永逸的解決方法。

既然如此，不如我們在火星上建一座化工廠吧！

為什么能在火星建化工廠？

地球上的化工廠正是以石油、煤炭等化石資源為原材料，通過繁多流程工藝的加工，輔助以物理和化學(xué)手段，才能得到一系列與我們生產(chǎn)生活密切相關(guān)的終端產(chǎn)品，例如塑料、藥物、燃料，包括現(xiàn)在全球風(fēng)靡的口罩。

所以，要想在火星建設(shè)化工廠 ，第一步就是去火星挖礦！

等等，在有挖礦這個想法之前，我想告訴你的是，據(jù)目前的科學(xué)報道，并無證據(jù)表明火星曾經(jīng)有過植物或者動物等生命形式存在。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，化石資源是由于古代海洋或湖泊中的動物和微生物的遺體在地層中經(jīng)過漫長時間的演化而形成的。因此，火星底下并不見得一定有礦。

那在火星建設(shè)化工廠的計劃難道還沒有開始就要宣告失敗了嗎？

火星目前沒有發(fā)現(xiàn)存在石油、煤炭等資源，但是火星真的一無所有嗎？我們來看看火星有什么？

科學(xué)界普遍認(rèn)為火星星體表面有土壤，表層下有冰，并且存在稀薄的大氣層。此外，1969年，伯克利大學(xué)的Pimentel教授，通過紅外探測器發(fā)現(xiàn)火星大氣中含有96%的二氧化碳和4%的氮氣。如果我們真的要在火星上建設(shè)化工廠，似乎唯一的碳物質(zhì)—二氧化碳就成了化工廠原料的不二選擇，即通過二氧化碳制造高分子材料、燃料、藥品等生活必須的化學(xué)品。

這個構(gòu)想聽起來似乎很玄幻，但并不是天方夜譚。事實上，通過人工光合作用，這一切在未來都是可以實現(xiàn)的！

什么是人工光合作用？

無論人類未來移民哪一個星球，怎樣更好地活下來都尤為重要，這就離不開高分子材料、藥物、燃料和肥料等化學(xué)品。2003年，美國能源部在伯克利國家實驗室啟動了“太陽神計劃”，旨在通過跟大自然學(xué)習(xí)構(gòu)造光合作用系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體和催化劑，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種化學(xué)制品。

近年來，來自伯克利國家實驗室的楊培東院士團(tuán)隊，利用半導(dǎo)體和微生物成功構(gòu)建了第一個集成系統(tǒng)，將這一設(shè)想變成了現(xiàn)實。后來，他們推出了更為優(yōu)秀的“2.0 版本”。

人工光合作用系統(tǒng)其實是模仿植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。植物的光合作用是利用吸收的太陽光，將大氣中的二氧化碳和水，轉(zhuǎn)化為糖類等有機(jī)物，供植物進(jìn)行各種代謝活動。事實上，我們使用的煤、石油和天然氣等也是來自原始植物的能量積累。

人工光合作用系統(tǒng)主要由兩部分組成，即半導(dǎo)體和微生物工程細(xì)菌。半導(dǎo)體負(fù)責(zé)吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為電能，具有特定功能的工程細(xì)菌利用這種能量，將吸收的二氧化碳合成為特定的有機(jī)物（將電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能）。目前，人工光合作用對太陽能的利用效率可以達(dá)到8%～10%，相比于植物的光合作用效率提高了約20倍。此外，其生成的產(chǎn)物并不會像植物一樣被細(xì)菌代謝掉，從而保證了更高的產(chǎn)物產(chǎn)率。

那么，可以將太陽能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的人工光合作用系統(tǒng)究竟是怎么工作的呢？

人工光合作用是如何工作的？

以醋酸的生產(chǎn)為例，醋酸（學(xué)名乙酸），是含有兩個碳的重要有機(jī)化學(xué)品，也是食醋的主要成分。在人工光合作用系統(tǒng)中，研究者選擇厭氧的熱醋穆爾氏菌作主角，并開發(fā)出金納米簇?zé)o機(jī)材料進(jìn)行光的吸收。之后，將被注入金納米簇的工程菌置于特定的培養(yǎng)液中，保持純二氧化碳的無氧氣氛，給予一定強(qiáng)度的光照。再經(jīng)過一系列復(fù)雜的程序，成功合成醋酸分子物，并釋放到培養(yǎng)液中以備利用。

研究醋酸的人工光合作用合成，不僅僅是因為其結(jié)構(gòu)簡單，研究這一合成過程的初衷是因為乙酸在化工產(chǎn)業(yè)中的重要應(yīng)用。舉個例子，以醋酸為原材料，我們可以生產(chǎn)丁醇， 而丁醇因其特性，被稱為未來可以替代石油的新型燃料。此外，利用醋酸，我們還可以利用聚合反應(yīng)合成高分子材料，合成青蒿素等藥物中間體。而這些都將是我們未來在火星上生存下來所必不可少的化學(xué)品。

移民火星未來可期

在我們成功打開人工光合作用合成化學(xué)品這一潘多拉寶盒之后，未來更多的化學(xué)品也將會被源源不斷地合成出來。比如，火星上還有4%的氮氣，如果未來開發(fā)出新的人工光合作用集成系統(tǒng)，將氮氣合成氨化合物，就可以為移民火星提供充裕的肥料用于農(nóng)作物的種植了。

否則，未來移民火星的時候，恐怕我們只能和《火星救援》中的男主一樣，用有味道的有機(jī)肥來種植瓜果蔬菜了……