一、引言
　　
　　人(ren)類(lei)很(hen)可(ke)能(neng)會(hui)有(you)一(yi)天(tian)要(yao)移(yi)民(min)到(dao)地(di)外(wai)星(xing)球(qiu)，比(bi)如(ru)火(huo)星(xing)。雖(sui)然(ran)現(xian)在(zai)還(hai)無(wu)法(fa)預(yu)測(ce)那(na)一(yi)天(tian)有(you)多(duo)麼(me)遙(yao)遠(yuan)
，但(dan)應(ying)為(wei)這(zhe)一(yi)天(tian)的(de)到(dao)來(lai)開(kai)始(shi)做(zuo)些(xie)策(ce)劃(hua)
，驗(yan)證(zheng)一(yi)些(xie)移(yi)民(min)必(bi)需(xu)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)。
　　
　　dangnayitiandaolaideshihou
，renleidekejishuipingyidingyoulejidadefazhan，yexuyongdaodekejiyuanli
，xianzaihaimeiyourenshidao，jiuranghourenyuanliangjinrendewuzhi。yixianzainenggouxiangxiangdejishu
，yuceyixiazhehuashidaidezhuangju。
　　
　　移民是要呼吸的，工作時隨身攜帶的“氧立得”

，消耗堿金屬，利用火星大氣生成氧氣。但是居住在Mall裏麵，移民可以自由呼吸

，那裏的氧氣是生物氧，而且是免費的。“火水”的價格很低，如果非要喝一杯進口的“地水”，那隻能支付不菲的“火幣”了。但是有一句名言，“人的一生一定要喝一杯‘地水’”，不僅僅是因為“地水”的口味，更因為那其中的懷舊與感傷。
　　
　　Mall的殼是玻璃高溫打印的，最常用的形容詞是晶瑩剔透，老人和孩子一般是不離開Mall的，擔心輻射年齡增長得太快。移民都很注意保養
，去野外工作前，都要塗抹防輻射霜。Mall的地下部分溫度保持在-20℃，henduoyiminbuyuanyiqudiqiulvxing
，jiushiyinweinalijihudoushiredaidiqu，juminpingjunshoumingdiyuyimin。zhiyoudiqiudeliangjishaohaoxie
，jianshelehenduoyimindujiacun，buguohuilvyoushenggaole
，henduodujiacundedizhonglixuedaoshangyijingjianbudaoyimindeshenying。
　　
　　旅行用的輸運艙，加速和減速的時候，還是選用化學燃料
，最常用的推進劑是LCO與LO₂
、有時也用LCH₄和LO₂。長時間飛行主要靠太陽帆，這些帆在地火等行星之間穿梭，有多條線路可供選擇。
　　
　　在火星表麵短距離旅行的運輸工具是電動車，如果遠行，為了節省時間，隻能用磁力炮了。核能、太陽能在能源結構中的比例已經開始下降了，風能發展方興未艾……
　　
　　好吧，讓思緒回來，當下能為移民做些什麼技術準備呢？至少包括LCO與LO₂製備技術
、SiO₂高溫打印

、太陽帆、微生物製氧、宏尺度的風能利用。
　　
　　二、火星宜居化
　　
　　1
、人類火星活動的發展。人類生存的基本條件包括食物
、陽光
、水、氧氣等，長期生存的條件還包括生產工具
、可開發的資源

、醫療保障等等。
　　
　　少量人類個體的探險型火星表麵短期生存，其生命保障所需要的水、食物
、氧氣、溫(wen)度(du)等(deng)保(bao)障(zhang)條(tiao)件(jian)，可(ke)以(yi)完(wan)全(quan)利(li)用(yong)地(di)球(qiu)的(de)資(zi)源(yuan)滿(man)足(zu)。這(zhe)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)活(huo)動(dong)

，對(dui)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)環(huan)境(jing)會(hui)有(you)輕(qing)微(wei)的(de)改(gai)變(bian)
，著(zhe)陸(lu)時(shi)也(ye)需(xu)要(yao)利(li)用(yong)火(huo)星(xing)大(da)氣(qi)減(jian)速(su)，但(dan)總(zong)體(ti)上(shang)看(kan)，人(ren)類(lei)生(sheng)存(cun)所(suo)需(xu)的(de)資(zi)源(yuan)不(bu)依(yi)賴(lai)火(huo)星(xing)。
　　
　　在zai開kai發fa型xing這zhe種zhong火huo星xing表biao麵mian較jiao長chang時shi間jian活huo動dong類lei型xing中zhong，人ren類lei開kai始shi開kai發fa利li用yong火huo星xing的de資zi源yuan
，服fu務wu往wang返fan任ren務wu
，逐zhu漸jian發fa展zhan到dao開kai發fa礦kuang藏zang，服fu務wu地di球qiu的de社she會hui發fa展zhan。例li如ru，利li用yong火huo星xing大da氣qi的deCO₂資源，生產返回地球用的推進劑；開發鉑等貴金屬礦藏
，並運回地球。
　　
　　進一步發展到移民型活動
，移民在火星上所需的基本生存資源實現本地化
，對地球的依賴僅限於少量、個別
，類比於森林文明對槍支彈藥
、鐵器的需求，或者青藏高原文明對茶
、鹽的需求。這種活動的進一步發展，物質交換的“臍帶”
、心理的“臍帶”也可以斷開，至少這種斷開已不會使移民社會發展停滯。
　　
　　發展裏程碑可能包括：

　　人類探測器到達火星；
　　人類探測器到達火星表麵；
　　探測器實現火星表麵巡視探測；
　　火星表麵樣品到達地球；
　　人類到達火星表麵
；
　　實現利用火星資源
，生產火箭推進劑；
　　掌握火星表麵水資源利用技術

；
　　建立地火全球通信係統；
　　出現在火星表麵工作次數超過1次，且累積工作時間大於1火星年的航天員；
　　平民經過短期訓練後，到達火星表麵；
　　適應火星表麵環境的生物基因改造工程實現；
　　城堡式宜居化環境建設完成；
　　建設包括光能、核能、風能的完備能源係統
；
　　火星資源反哺地球；
　　出現火星移民，到達火星後的任務列表中，不包括返回地球
；
　　第一個火星人誕生；
　　正常死亡人類長眠火星

；
　　發現演化形成的火星特有物種
；
　　火星人到地球旅行；
　　移民生產、生活資源自洽
；
　　移民自治
；
　　隔離產生
，隔離可能包括物質
、心理、語言
、文化、技術發展路線
、生殖等方麵
；
　　人類亞種間爆發戰爭……

 
　　2、資源利用。可以看出，不同類型的火星活動，對資源的需求是不同的。進入到開發型活動階段後

，宜居化（MtoE）技術就已經成為必需，其發展目標是實現資源本地化比例的不斷提高。
　　
　　火星可以利用的資源至少包括如下幾個方麵：
　　
　　（1）光。雖然火星軌道上陽光的光強僅為地球附近的40%，但是從發電的角度看，仍然可以看作是取之不盡的能源。火星表麵的光強由於大氣吸收、散射等原因，進一步下降
，而且受塵暴的影響，光強變化範圍較大，但仍然是火星表麵活動的成本最低的能量來源。
　　
　　（2）大氣。火星表麵大氣的壓強僅為地球表麵的1%
，主要成分是CO₂，可以在推進劑生產、風能發電中作為本地資源利用。
　　
　　（3）鹽。火星土壤中含有豐富的矽酸鹽、碳酸鹽
、硫酸鹽
、氯化物等鹽類
，通過冶煉技術，可以實現建築材料以及鐵合金


、鋁合金的本地化生產。
　　
　　（4）水。已經探明在火星兩極地區有固態水，其開采、輸運對移民的生產、生活均具有重要的意義。
　　
　　3
、宜居化的挑戰。火星環境最接近人類的宜居環境
，但是火星的塵暴、低氣壓、低di溫wen環huan境jing
，對dui人ren類lei的de長chang期qi生sheng存cun仍reng然ran是shi巨ju大da的de挑tiao戰zhan
，火huo星xing宜yi居ju化hua是shi人ren類lei文wen明ming的de最zui大da挑tiao戰zhan之zhi一yi。火huo星xing全quan球qiu化hua的de宜yi居ju改gai造zao

，涉she及ji的de技ji術shu挑tiao戰zhan十shi分fen巨ju大da，從cong更geng具ju現xian實shi性xing的de角jiao度du考kao慮lv

，本ben文wen的de討tao論lun局ju限xian在zai城cheng堡bao式shi宜yi居ju化hua及ji全quan火huo麵mian活huo動dong的de層ceng麵mian。宜yi居ju化hua環huan境jing構gou建jian麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan主zhu要yao有you下xia列lie幾ji個ge方fang麵mian：
　　
　　（1）低重力。低重力將引起人類骨骼的鈣缺失，但從長期看
，人類是可以適應這種低重力環境的。
　　
　　（2）氧氣。為了減少野外工作服設計的複雜性、操作的靈活性
，以及居住環境的建設成本，城堡內部的壓力可以考慮選擇0.3atm的純氧環境。
　　
　　（3）溫(wen)度(du)。實(shi)現(xian)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)的(de)最(zui)好(hao)手(shou)段(duan)是(shi)建(jian)築(zhu)在(zai)半(ban)地(di)下(xia)。火(huo)星(xing)土(tu)壤(rang)的(de)淺(qian)層(ceng)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)恒(heng)溫(wen)
，隨(sui)著(zhe)深(shen)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，溫(wen)度(du)會(hui)有(you)升(sheng)高(gao)。居(ju)住(zhu)區(qu)可(ke)以(yi)建(jian)設(she)在(zai)土(tu)壤(rang)的(de)淺(qian)層(ceng)結(jie)構(gou)中(zhong)，既(ji)方(fang)便(bian)光(guang)能(neng)利(li)用(yong)，又(you)能(neng)降(jiang)低(di)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)調(tiao)節(jie)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)。
　　
　　（4）輻射。探測成果表明，人類使用防護服，可以短期適應火星表麵的輻射環境。為了避免長時間的累積效應
，更好地防護一次輻射、二次輻射，可以利用建築材料實現。
　　
　　（5）食物。發展氧化性土壤改性

、適應火星環境的生物基因改造

、無土栽培等技術
，利用生物光合作用實現氧氣、食物的生物化生產。
　　
　　宜居程度的提高
，既包括通過技術發展，實現火星環境的局部改造，也包括移民通過生物演化進程，更加適應改造後的火星環境。
　　
　　4、宜居化的特征。宜居化環境的基本特征主要表現在以下幾個方麵：
　　
　　（1）長期性。宜居化的目標是人類在火星表麵的長期生存，因此宜居化環境建設涉及的方法、技術需要符合可持續發展的需要，不能對周邊環境產生危害。
　　
　　（2）安全性。宜居環境著眼於人類居住的安全，通過多個居住區的局部隔離
、備份冗餘等手段，使生態係統具備一般性故障的應對能力。對小概率的災難性事件，也需要具有一定的應對能力，如隕石撞擊等。
　　
　　（3）自(zi)洽(qia)性(xing)。隨(sui)著(zhe)宜(yi)居(ju)化(hua)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，資(zi)源(yuan)的(de)本(ben)地(di)化(hua)滿(man)足(zu)程(cheng)度(du)逐(zhu)漸(jian)提(ti)高(gao)，係(xi)統(tong)對(dui)外(wai)部(bu)資(zi)源(yuan)的(de)依(yi)賴(lai)局(ju)限(xian)在(zai)少(shao)量(liang)火(huo)星(xing)稀(xi)缺(que)資(zi)源(yuan)
，實(shi)現(xian)絕(jue)大(da)部(bu)分(fen)資(zi)源(yuan)需(xu)求(qiu)滿(man)足(zu)的(de)本(ben)地(di)化(hua)。
　　
　　（4）發展性。利用火星資源，發展技術
，不斷提高環境的宜居程度
，實現持續發展。
　　
　　三、火星宜居化技術需求
　　
　　為了實現火星表麵環境改造
，實現城堡式宜居環境的目標，對其技術需求分析如下。
　　
　　1
、電(dian)。最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)能(neng)源(yuan)獲(huo)得(de)方(fang)式(shi)是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)。在(zai)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)
，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)火(huo)星(xing)光(guang)譜(pu)匹(pi)配(pei)的(de)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)陣(zhen)，通(tong)過(guo)光(guang)伏(fu)效(xiao)應(ying)，將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)，轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)大(da)於(yu)30%，可(ke)以(yi)輔(fu)助(zhu)以(yi)聚(ju)光(guang)等(deng)手(shou)段(duan)，提(ti)高(gao)單(dan)位(wei)麵(mian)積(ji)的(de)能(neng)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)能(neng)源(yuan)供(gong)應(ying)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，考(kao)慮(lv)在(zai)火(huo)星(xing)軌(gui)道(dao)構(gou)建(jian)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)，通(tong)過(guo)激(ji)光(guang)實(shi)現(xian)能(neng)量(liang)的(de)定(ding)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)。
　　
　　核能的利用也必不可少
，同位素衰變的能量有限，有發展前途的還是可控核聚變。
　　
　　火星表麵氣壓很低，其風能利用，難度較大，需要發展全方向適應的宏尺寸風能轉換設備。
　　
　　溫差發電、微生物燃料電池等技術也需要關注，實現能源利用的最大化。
　　
　　能量的存貯十分重要，需要發展超級電容等高能量密度存儲設備。
　　
　　2
、氧。火星表麵短期活動的製氧方式可以利用堿金屬及火星表麵充足的CO₂資源。也可以利用H₂O₂催化分解方法，同時滿足生存所需要的兩個重要條件，催化劑一般選用基於過渡金屬錳

、鈷、鉛等的金屬鹽和氧化物。工業化的製氧手段可以采取二氧化碳分解法

，再通過膜分離或分子篩技術分離O2，其反應為：

　　
2CO₂——2CO+O₂

　　
　　水的電解

，以及在礦物開采過程中
，通過加熱硝石等礦物
，也會產生O₂。
　　
　　成本更低的製氧方法是生物製氧，包括利用微生物和植物製氧。早期主要方式為微生物製氧，微生物適應的環境範圍較廣
，例如Franzmann等在南極艾斯湖底層水中分離到嗜冷的乳酸細菌
，微生物製氧的運行條件較容易滿足，光能自養生物在無機環境生長繁殖，利用CO2作為碳源，利用銨鹽或硝酸鹽為氮源
，完成繁殖。光能自養微生物主要有光合細菌、厭氣紫硫細菌等
，以火星表麵改造後的環境為生存環境目標，利用基因改造技術培育新的品種實現生物製氧。
　　
　　更進一步，可以使用體型微小的藻類和真菌，在條件具備的時候
，發展到利用更高級的植物完成製氧。
　　
　　3、水。火星表麵最廉價的水資源來自於極區的水和幹冰混合物，可通過適應低溫環境的移動智能體
，自主完成開采、運輸
、分餾過程。礦物開采的過程中
，也會有結晶水析出。還需要發展廢水處理技術，避免寶貴的水資源被浪費掉。野外工作時，可以利用H₂O₂催化分解獲得生命保障所必需的水。
　　
　　4、光(guang)。光(guang)能(neng)是(shi)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)宜(yi)居(ju)化(hua)初(chu)始(shi)能(neng)源(yuan)形(xing)式(shi)，為(wei)避(bi)免(mian)塵(chen)暴(bao)等(deng)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)，最(zui)方(fang)便(bian)的(de)方(fang)式(shi)是(shi)在(zai)軌(gui)道(dao)器(qi)上(shang)布(bu)置(zhi)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)站(zhan)
，再(zai)以(yi)激(ji)光(guang)或(huo)微(wei)波(bo)的(de)形(xing)式(shi)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)。在(zai)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)，太(tai)陽(yang)能(neng)除(chu)用(yong)於(yu)發(fa)電(dian)外(wai)，還(hai)包(bao)括(kuo)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)
、照明、局部高溫實現等用途。一種特殊的短時間獲得光的方式是激光點燃的金屬粉末CO₂環境燃燒。
　　
　　5
、建築材料。火星土壤可以作為建築的材料
，設想通過高溫溶化，再用3D打印的方式實現建築構造
，利用矽土形成建築構件，材質類似於玻璃，可以實現氣密性。
　　
　　火星土壤中含有豐富的鹽類，包括碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等，利用不同成分的礦物，通過冶煉，可以生產出鋁合金
、鐵合金、單晶矽等宜居化必需品。
　　
　　6
、食物。最主要的食物是藻類，其繁殖過程要求低
，並可以供應人類生存必需的營養物質
，逐漸發展到植物食物
，包括水稻、小麥等自花授粉糧食作物及各種蔬菜。為了避免口味的單一化，使用各種風味丸進行調劑。
　　
　　7
、推進劑。最容易實現的本地化化學推進劑是LCO
、LO₂，如果認為這種推進劑組合的比衝小，還可以使用LCH₄、LO₂
，LCH₄的獲得方式為
　　

CO₂+2H₂——CH₄+O₂

　　
　　另外在火星表麵的短距離移動可使用電動車、氣球作為運輸工具
，遠距離運輸則可使用磁力炮和降落傘。
　　
　　四、宜居化技術驗證
　　
　　俄羅斯、美國都已經開展了載人火星任務相關的技術驗證工作
，例如“火星-500”項目的目的是在模擬火星飛行（長時間、高度自主
、與地球通信狀態改變——信號傳輸延遲、消耗品數量有限）過程中，研究乘組長期隔離在狹小的正常壓力環境下的“人-環境”係統，並獲取乘組人員的健康狀況和工作能力的實驗數據。
　　
　　在地球上研究較多的火星類比點有智利的阿卡塔瑪沙漠實驗站
、北極斯瓦爾巴群島火星類比點、南極幹穀地區、猶他州火星沙漠實驗站、西班牙裏奧廷脫火星類比點、突尼斯吉利特鹽湖區類比點和中國青藏高原大浪灘鹽湖區火星類比點，這些類比點研究項目的側重點各不相同。
　　
　　從成本考慮，技術驗證工作是漸進的，首先是地基研究
，然後根據需要開展地球軌道、月球表麵的驗證試驗，最後在火星表麵開展技術驗證和確認。現階段可以開展的技術研究與驗證項目主要有以下幾個方麵：
　　
　　1、推進劑生產。盡可能利用火星CO₂等資源，實現推進劑的本地化生產，是最急需開展的技術驗證項目
，對載人火星任務規模的簡化具有重要的意義，包括CO₂ 分解為CO和O₂，以及利用H₂和CO₂生產CH₄、O₂，還包括產物的液化及長期貯存涉及的保溫技術等。
　　
　　這項技術完全可以在地麵進行比較充分的驗證，縮小生產設備規模和複雜程度，盡早進行火星表麵原理性驗證。
　　
　　2

、火huo星xing建jian築zhu構gou件jian的de高gao溫wen打da印yin。利li用yong火huo星xing表biao麵mian的de土tu壤rang，結jie合he構gou件jian打da印yin技ji術shu，驗yan證zheng能neng源yuan利li用yong效xiao率lv高gao的de建jian築zhu構gou件jian生sheng產chan方fang法fa，也ye是shi一yi項xiang可ke以yi在zai地di麵mian進jin行xing驗yan證zheng
，在zai近jin期qi就jiu可ke以yi安an排pai火huo星xing表biao麵mian技ji術shu驗yan證zheng的de項xiang目mu。技ji術shu的de核he心xin在zai於yu高gao溫wen的de實shi現xian方fang法fa、能源利用效率的提高、輻射防護效果確認、構件材料氣密性研究。
　　
　　3、火huo星xing移yi動dong智zhi能neng體ti。在zai人ren類lei移yi民min之zhi前qian，必bi定ding有you大da量liang的de準zhun備bei工gong作zuo，由you機ji器qi人ren自zi主zhu實shi現xian，因yin此ci需xu要yao發fa展zhan火huo星xing移yi動dong智zhi能neng體ti

，利li用yong這zhe種zhong適shi應ying惡e劣lie環huan境jing的de任ren務wu級ji智zhi能neng係xi統tong
，完wan成cheng早zao期qi的de資zi源yuan開kai采cai、輸運、生產等活動，為最終的移民做好準備。
　　
　　4
、生(sheng)物(wu)製(zhi)氧(yang)。利(li)用(yong)基(ji)因(yin)技(ji)術(shu)，篩(shai)選(xuan)改(gai)造(zao)適(shi)應(ying)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)的(de)厭(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)
，在(zai)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)實(shi)現(xian)的(de)改(gai)造(zao)環(huan)境(jing)下(xia)，實(shi)現(xian)生(sheng)物(wu)製(zhi)氧(yang)的(de)原(yuan)理(li)性(xing)驗(yan)證(zheng)。首(shou)先(xian)應(ying)在(zai)地(di)球(qiu)上(shang)構(gou)造(zao)類(lei)似(si)於(yu)火(huo)星(xing)表(biao)麵(mian)溫(wen)度(du)
、氣壓、氣體成分

、土壤成分等因素的綜合環境模擬艙，完成微生物篩選、改性等工作

，開展生物製氧技術驗證。
　　
　　五、結束語
　　
　　綜上所述，在火星表麵構建適合人類生存的宜居環境，是一項巨大的技術挑戰。對火星宜居化涉及的水、氧氣、推進劑、電dian能neng等deng資zi源yuan的de獲huo得de方fang法fa進jin行xing了le展zhan望wang性xing分fen析xi，提ti出chu了le關guan鍵jian技ji術shu早zao期qi技ji術shu驗yan證zheng的de設she想xiang
，其qi中zhong部bu分fen項xiang目mu已yi經jing具ju備bei在zai火huo星xing表biao麵mian開kai展zhan原yuan理li性xing驗yan證zheng的de可ke能neng性xing。（南山）