隨著我國(guó)對(duì)火星探測(cè)的雄心壯志日益增強(qiáng)，一系列雄心勃勃的計(jì)劃正在緊鑼密鼓地推進(jìn)中。預(yù)計(jì)到2028年，天問(wèn)三號(hào)探測(cè)器將踏上前往火星的征途，而到了2031年，我國(guó)有望實(shí)現(xiàn)從火星采集樣品并返回地球的壯舉。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，科學(xué)家們正積極探索如何充分利用火星的本地資源，為未來(lái)長(zhǎng)期的科學(xué)研究和人類居住提供堅(jiān)實(shí)的能源和資源保障。

火星上建立科研站，能源供應(yīng)無(wú)疑是首要難題。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在利用火星大氣作為介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能和發(fā)電方面取得了令人矚目的進(jìn)展。研究人員指出，在火星上發(fā)電的挑戰(zhàn)在于尋找一種易于獲取且持續(xù)不斷的介質(zhì)。在地球上，火電站和核電站通常使用水作為工作介質(zhì)；而在宇宙空間，稀有氣體氦-氙曾被視為潛在的核能發(fā)電介質(zhì)。然而，氦-氙并非火星原生資源，運(yùn)輸和補(bǔ)充都是巨大的難題。因此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)創(chuàng)新性的思路：將火星大氣作為發(fā)電系統(tǒng)的工作介質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員石凌峰解釋說(shuō)，工作介質(zhì)是發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的載體，可以形象地比作發(fā)電系統(tǒng)的“血液”。火星大氣因其分子質(zhì)量大、比熱容高的特性，具有優(yōu)良的熱電轉(zhuǎn)化性能。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，與氦-氙稀有氣體方案相比，以二氧化碳為主的火星大氣具有更大的分子質(zhì)量和單位體積做功能力。將其用于發(fā)電系統(tǒng)，效率可提升20%，功率密度可提升14%。更重要的是，這種方案可以實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的原地隨時(shí)獲取，為火星探測(cè)任務(wù)提供了一種“就地取材”的能源生產(chǎn)解決方案。

除了發(fā)電領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)還在利用火星大氣進(jìn)行儲(chǔ)能方面取得了突破。他們創(chuàng)新性地提出了火星電池儲(chǔ)能系統(tǒng)概念，這種電池以火星大氣中的活性物質(zhì)作為反應(yīng)燃料，釋放電能，為火星探測(cè)器和基地提供持續(xù)能源供給。在電能儲(chǔ)存時(shí)，則結(jié)合多種能量形式，將能量重新存儲(chǔ)到火星電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后肖旭表示，火星氣電池與鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池原理相似，通過(guò)將火星大氣成分吸入電池中作為活性氣體，釋放電能供火星車或直升機(jī)使用。

研究團(tuán)隊(duì)在模擬火星大氣及晝夜溫差的條件下，對(duì)火星電池的性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，即使在0℃的低溫環(huán)境下，電池仍能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。使用火星大氣作為燃料，不僅大幅減輕了電池系統(tǒng)的整體重量，還實(shí)現(xiàn)了能源的就地獲取與自給自足。這一發(fā)現(xiàn)為火星開發(fā)與研究提供了全新的高能量密度儲(chǔ)能方案，對(duì)提升火星任務(wù)的自主性與可持續(xù)性具有重要意義。

火星與地球有著相似的自轉(zhuǎn)周期和四季變化，這使得火星氣體的開發(fā)利用成為推動(dòng)下一代深空能源系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵突破口。未來(lái)，圍繞火星氣體的能源化和資源化利用，結(jié)合發(fā)電、儲(chǔ)能、供熱、制氧、制燃料等多個(gè)方面，可以進(jìn)一步拓展形成火星大氣利用的綜合能源系統(tǒng)。例如，火星表面的平均溫度極低，發(fā)電系統(tǒng)的低溫段余熱可以解決火星科研站的熱能供應(yīng)問(wèn)題。同時(shí)，中溫段和高溫段的火星氣體可以分別為甲烷化反應(yīng)制燃料和高溫電解制氧技術(shù)提供反應(yīng)氣，將火星氣體中的碳原子和氧原子轉(zhuǎn)化為氧氣和甲烷燃料等寶貴資源。

石凌峰研究員表示，火星探測(cè)需要大量的探測(cè)設(shè)備和科研站，而這些設(shè)備和科研站都需要能源作為基礎(chǔ)保障。在火星上建立能源系統(tǒng)，需要因地制宜地制定方案。這一研究無(wú)疑是一個(gè)新的起點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)，雖然還有很長(zhǎng)的路要走，但它為火星探測(cè)任務(wù)的能源供應(yīng)問(wèn)題提供了新的思路和解決方案。