我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃正加速推進(jìn)，預(yù)計(jì)在2028年前后發(fā)射天問(wèn)三號(hào)探測(cè)器，并在2031年前后實(shí)現(xiàn)火星樣品的返回。為了實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的任務(wù)，科學(xué)家們正致力于探索如何有效利用火星上的資源，為長(zhǎng)期科研活動(dòng)和未來(lái)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(yīng)是首要問(wèn)題。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在儲(chǔ)能和發(fā)電領(lǐng)域取得了新突破，他們利用火星大氣作為介質(zhì)進(jìn)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(yùn)輸和補(bǔ)充的難題。因此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)創(chuàng)新思路：利用火星大氣進(jìn)行發(fā)電。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的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)化的關(guān)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(tuán)隊(duì)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(cè)任務(wù)提供了一種“因地制宜”的能源解決方案。

研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了利用火星大氣進(jìn)行儲(chǔ)能的研究，為火星探測(cè)任務(wù)提供能源保障。火星大氣主要由二氧化碳、氮?dú)夂蜌鍤饨M成，其中二氧化碳含量高達(dá)95%以上。為了利用這一資源，研究團(tuán)隊(duì)提出了火星電池儲(chǔ)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(yīng)燃料，釋放電能供火星探測(cè)器和基地使用。在儲(chǔ)存電能時(shí)，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(chǔ)到電池中。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shè)備使用。研究團(tuán)隊(duì)在模擬火星大氣和晝夜溫差的條件下對(duì)電池性能進(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(shí)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(kāi)發(fā)利用提供了有利條件。專家指出，火星氣體的高效開(kāi)發(fā)利用正成為推動(dòng)下一代深空能源系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。未來(lái)，結(jié)合發(fā)電、儲(chǔ)能、供熱、制氧、制燃料等技術(shù)，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，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(yīng)問(wèn)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(yīng)制燃料和高溫電解制氧技術(shù)，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。