我國火星探測計劃正加速推進，預計在2028年前后發(fā)射天問三號探測器，并在2031年前后實現(xiàn)火星樣品的返回。為了實現(xiàn)這些雄心勃勃的任務，科學家們正致力于探索如何有效利用火星上的資源，為長期科研活動和未來的人類駐留提供能源和資源支持。

在火星上建立科研站，能源供應是首要問題。近期，中國科學技術大學的研究團隊在儲能和發(fā)電領域取得了新突破，他們利用火星大氣作為介質(zhì)進行研究。科研人員指出，在火星上發(fā)電面臨諸多挑戰(zhàn)，必須找到一種易于獲取且可持續(xù)的介質(zhì)。與地球上常用的水介質(zhì)不同，火星上缺乏水資源，而采用稀有氣體氦-氙作為介質(zhì)又面臨運輸和補充的難題。因此，研究團隊提出了一個創(chuàng)新思路：利用火星大氣進行發(fā)電。

中國科學技術大學的研究員石凌峰解釋說，工作介質(zhì)是發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的關鍵，可以形象地比作發(fā)電系統(tǒng)的“血液”。火星大氣具有優(yōu)良的熱電轉(zhuǎn)化性能，其分子質(zhì)量大、比熱容高，使得熱功轉(zhuǎn)換效率較高。研究團隊發(fā)現(xiàn)，與氦-氙方案相比，以二氧化碳為主的火星大氣在發(fā)電系統(tǒng)中具有更高的效率和功率密度，最大可分別提升20%和14%。這一發(fā)現(xiàn)為火星探測任務提供了一種“因地制宜”的能源解決方案。

研究團隊還開展了利用火星大氣進行儲能的研究，為火星探測任務提供能源保障。火星大氣主要由二氧化碳、氮氣和氬氣組成，其中二氧化碳含量高達95%以上。為了利用這一資源，研究團隊提出了火星電池儲能系統(tǒng)的概念。這種電池以火星大氣中的活性物質(zhì)為反應燃料，釋放電能供火星探測器和基地使用。在儲存電能時，系統(tǒng)能夠結(jié)合電能、光能、熱能等多種形式，將能量重新存儲到電池中。

中國科學技術大學的博士后肖旭表示，火星氣電池與鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池有相似之處，都是將空氣中的成分吸入電池中作為活性氣體，釋放電能供設備使用。研究團隊在模擬火星大氣和晝夜溫差的條件下對電池性能進行了測試，結(jié)果顯示，即使在0℃的低溫環(huán)境下，電池仍能穩(wěn)定工作。使用火星大氣作為燃料不僅減輕了電池系統(tǒng)的重量，還實現(xiàn)了能源的就地獲取和自給自足。

火星與地球有著相似的自轉(zhuǎn)周期和四季變化，這為火星氣體的開發(fā)利用提供了有利條件。專家指出，火星氣體的高效開發(fā)利用正成為推動下一代深空能源系統(tǒng)構建的關鍵。未來，結(jié)合發(fā)電、儲能、供熱、制氧、制燃料等技術，可以進一步拓展形成火星大氣利用的綜合能源系統(tǒng)。例如，利用發(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問題；中溫段和高溫段的火星氣體則可以分別用于甲烷化反應制燃料和高溫電解制氧技術，將火星大氣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。