互动科普

科学世界：《火星救援》里，航天员从土里挖出来用于取暖的装置，就是利用了放射性衰变吧？

贾阳：对，这就是一种核能的利用，那个装置叫放射性同位素热电发生器（RTG）。RTG中是钚238，半衰期是87年多，衰变时会放出阿尔法粒子，发出的热量可以用于取暖。

我们的嫦娥3号上也有这样的装置。嫦娥3号是做成和暖气类似的结构，用钚238作为热源，在回路中放入工质流体，通过流体的循环流动和气液两相的转化来传递热量。

到嫦娥4号的时候，着陆器上的这个设备会更复杂一点，可以利用温差进行发电。这样即使在月球的夜晚也能有少量的电能。但是这种利用放射性衰变的温差发电，很难做到非常大的功率。

                                             安装在新视野号探测器上的RTG（左边伸出的黑色部分），最初可以提供约250瓦的电力，随着衰变功率会逐渐下降。图/NASA

科学世界：它衰变产生的辐射对人体有害吗？

贾阳：如果是纯的钚238，衰变只会产生阿尔法粒子，一张纸就能挡住，根本不用担心，有外壳就更没问题了。但在生产过程中，通常不可避免地会含有其他放射性同位素，某些同位素衰变时会产生中子、伽马射线等，这就会有安全问题了。

科学世界：在火星上制造氧气，现在有几种方案？

贾阳：火星表面短期活动时，制氧方式可以利用碱金属及火星表面充足的二氧化碳资源。也可以利用过氧化氢催化分解的方法。过氧化氢的优点是，它通过催化反应可以直接变成人类生存所必须的氧气和水这两大要素。所以我们设想用它作为一种野外工作时的生命保障手段。过氧化氢需要从地球上带过去。

工业化的制氧手段可以采取二氧化碳分解法，再通过膜分离或分子筛技术分离出氧气，其反应为2CO₂→2CO+O₂。这个反应的条件主要靠高温，要1000℃以上。在火星上，要获得这样的高温，需要靠太阳能或核能。

另外，水的电解，以及在矿物开采过程中，通过加热硝石等矿物，也会产生氧气。

成本更低的制氧方法是生物制氧，包括利用微生物和植物制氧。火星开发早期主要可以利用微生物制氧。微生物适应的环境范围较广，例如弗兰兹曼（Franzmann）等在地球南极艾斯湖底层水中就分离到了嗜冷的乳酸细菌。微生物制氧的运行条件也比较容易满足，就是让光能自养微生物在无机环境中生长繁殖，利用二氧化碳作为碳源，铵盐或硝酸盐为氮源，完成繁殖。光能自养微生物主要有光合细菌、厌气紫硫细菌等。我们可以利用基因改造技术培育新的品种，使之能够在火星表面改造后的环境中生存，实现生物制氧。

更进一步，可以使用体型微小的藻类和真菌。在条件具备的时候，发展到利用更高级的植物完成制氧。

科学世界：如何开采、利用火星的水资源？

贾阳：火星表面最廉价的水资源来自于极区的水和干冰混合物，可通过适应低温环境的移动智能体，自主完成开采、运输、分馏。矿物开采的过程中，也会有结晶水析出。我们还需要发展废水处理技术，避免宝贵的水资源被浪费掉。

火星北极地区的冰盖  图/NASA/JPL-Caltech

科学世界：您所说的移动智能体是什么样的？

贾阳：我提出了火星移动智能体这个概念，把人工智能技术和火星车技术结合起来，是我们设想的第三代火星车。

比如说在火星表面，太阳翼应该能自动跟着太阳转，不需地面指挥。再比如说前往一个目标的具体路线选择，如何自动规避障碍最后到达目的地。还有天线的控制，能计算出轨道器什么时候飞过来，朝哪个方向开始自动跟踪，以什么样的速率发送数据，整个过程都是火星车自己完成。相对传统的航天器，这样的智能还是相当高的，而且这些功能还要非常可靠。

科学世界：在火星上如何生产推进剂？

贾阳：最容易实现的本地化化学推进剂是液态一氧化碳、液氧。如果认为这种推进剂组合的比冲小，还可以使用液态甲烷和液氧，甲烷的获得方式为：CO₂+2H₂→CH₄+O₂。高温下这个反应是成立的，但是常温下就是逆反应了。

现在有一种思路,为了实现短期载人火星探测，而且经济上能够承受，可先将无人设备发射到火星上，自动生产推进剂。生产完成后再实施载人计划，这样只需携带单程燃料，然后利用火星上本地生产的推进剂返回地球。如果这个思路能实现的话，可以使整个计划的成本大幅降低，比如说从2000亿美元降到400亿美元。

（本文发表于《科学世界》2016年3期）