《国家科学评论》(National Science Review, NSR) 近日发表了中国科学技术大学工程科学学院舒歌群/石凌峰课题组的观点文章“Conceptualizing in situ energy station for Mars exploration”。文章提出火星富CO2大气原位资源利用的集成化电/热/氧/燃料/储能的能源站概念，阐述了大气捕集-热电转化-资源转化的全流程技术路线，开发模型系统性评估了大气利用在降低未来火星任务航天器载荷的潜力，指出了关键挑战与面向未来发展方向。
我国深空探测领域正在迈向长期驻留的跨越式发展关键窗口期，原位资源利用、发电与存储和生命资源原位生成对于下一阶段人类持续的火星探索变的至关重要，依赖理论方法、任务架构和工程技术的同步进步。火星大气主要由CO2组成（高达95%）包含少量氮气和氩气，既是稳定的热传递介质，也是原位碳和氧元素的来源，利用火星大气工质资源化作为先进的热力学循环和化学转化系统的工质，或许能为火星可持续能源供应带来新思路，集成化能源站的原理如图1所示，分三大核心步骤（1）稀薄大气捕集增压、（2）原位发电与储能、（3）生命资源原位生产，简要说明如下：
（1）稀薄大气捕集增压：可通过机械压缩、低温捕集、吸附压缩三种方式实现，将火星稀薄大气 (600~800 Pa) 压缩至工作压力(>100kPa)，三种方式在能耗、压缩比和可靠性各有优劣，需结合对杂质容忍度、电力、任务寿命以及余热可用性等方面综合考虑。
（2）原位发电与储能：火星极端环境下长期载人任务对太阳能的依赖需要重新审视。火星大气是空间微型核堆二回路理想工作介质，效率和功率密度有望超越氦氙混合气，实现百千瓦级电力供应，搭配高能量密度的锂-火星气电池储能缓解功率波动/电力调配问题。
（3）生命资源原位生产：回收发电模块低温废热满足火星基地供暖，中温CO2乏气通过Sabatier反应与氢（地下水冰电解）合成为甲烷燃料与水，高温段CO2通过固体氧化物电解池电解生成氧气，满足人类火星驻留对热/氧/燃料的生命资源需求。
图1. 火星大气原位资源利用构建原位能源站的原理示意图
为了进一步说明设计框架的实际应用潜力，参考了美国国家航空航天局早期载人火星任务的能量需求，开发了一个初步模型来评估系统内关键节点的流量、功率流动和组件重量，表明大气原位利用在未来首次载人火星探测任务具有二十余吨的载荷节重潜力（~60%火星载人上升返回器燃料重量），可以将其视为一个基础设施由航天器在人类宇航员抵达之前完成部署。
首次载人火星任务可能在未来几十内实施，目前火星大气原位资源利用技术尚且处于概念性研究阶段，为了缩小差距建议关注以下方向：(1)探明火星大气多组分物性，搭建模拟大气热物理性质测试平台完善数据指导热力部件研发；(2)研发关键部件，包括压缩-膨胀-发电一体化旋转单元、空间微型堆、高温耐CO₂腐蚀材料、长运行寿命电化学系统，以及火星沙尘去除装置；(3) 针对火星低压低重力环境，开展系统高效率/高功率密度集成设计，优化物质流匹配路径；(4) 结合人工智能建立极端环境下的能源系统的自动调控方法，以适应不断变化的火星气候/热环境波动。
阅读原文:https://doi.org/10.1093/nsr/nwag043
(来源：国家科学评论)