李慶林

小編的話：

你知道嗎？7月23日，我國(guó)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射，由“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，成為一顆人造行星，與地球、火星共同繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，并逐漸遠(yuǎn)離地球，飛向火星。到達(dá)火星時(shí)，探測(cè)器距離地球約1.95億千米，實(shí)際飛行路程約4.7億千米。截至8月28日10時(shí)08分，“天問(wèn)一號(hào)”累計(jì)飛行1億千米！

由于與地球的諸多特征相似，火星一直被認(rèn)為是未來(lái)人類移民外太空的首選目的地。

要想移民火星，可遠(yuǎn)不止從地球飛到火星那么簡(jiǎn)單。人類想實(shí)現(xiàn)半永久或者永久定居火星，而不僅僅是為了火星一日游，建設(shè)火星基地并且保證人們更好地在火星上生存，是能否移民火星的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)在，我們生活中的衣食住行其實(shí)都離不開(kāi)種類繁多的化學(xué)品，未來(lái)移民火星之后更是如此，跨星球運(yùn)輸物資固然是可以，但是時(shí)效低、成本高的問(wèn)題迫使人們需要尋找一勞永逸的解決方法。

既然如此，不如我們?cè)诨鹦巧辖ㄒ蛔S吧！

為什么能在火星建化工廠？

地球上的化工廠正是以石油、煤炭等化石資源為原材料，通過(guò)繁多流程工藝的加工，輔助以物理和化學(xué)手段，才能得到一系列與我們生產(chǎn)生活密切相關(guān)的終端產(chǎn)品，例如塑料、藥物、燃料，包括現(xiàn)在全球風(fēng)靡的口罩。

所以，要想在火星建設(shè)化工廠 ，第一步就是去火星挖礦！

等等，在有挖礦這個(gè)想法之前，我想告訴你的是，據(jù)目前的科學(xué)報(bào)道，并無(wú)證據(jù)表明火星曾經(jīng)有過(guò)植物或者動(dòng)物等生命形式存在。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，化石資源是由于古代海洋或湖泊中的動(dòng)物和微生物的遺體在地層中經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)時(shí)間的演化而形成的。因此，火星底下并不見(jiàn)得一定有礦。

那在火星建設(shè)化工廠的計(jì)劃難道還沒(méi)有開(kāi)始就要宣告失敗了嗎？

火星目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在石油、煤炭等資源，但是火星真的一無(wú)所有嗎？我們來(lái)看看火星有什么？

科學(xué)界普遍認(rèn)為火星星體表面有土壤，表層下有冰，并且存在稀薄的大氣層。此外，1969年，伯克利大學(xué)的Pimentel教授，通過(guò)紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火星大氣中含有96%的二氧化碳和4%的氮?dú)?。如果我們真的要在火星上建設(shè)化工廠，似乎唯一的碳物質(zhì)—二氧化碳就成了化工廠原料的不二選擇，即通過(guò)二氧化碳制造高分子材料、燃料、藥品等生活必須的化學(xué)品。

這個(gè)構(gòu)想聽(tīng)起來(lái)似乎很玄幻，但并不是天方夜譚。事實(shí)上，通過(guò)人工光合作用，這一切在未來(lái)都是可以實(shí)現(xiàn)的！

什么是人工光合作用？

無(wú)論人類未來(lái)移民哪一個(gè)星球，怎樣更好地活下來(lái)都尤為重要，這就離不開(kāi)高分子材料、藥物、燃料和肥料等化學(xué)品。2003年，美國(guó)能源部在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了“太陽(yáng)神計(jì)劃”，旨在通過(guò)跟大自然學(xué)習(xí)構(gòu)造光合作用系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體和催化劑，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種化學(xué)制品。

近年來(lái)，來(lái)自伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的楊培東院士團(tuán)隊(duì)，利用半導(dǎo)體和微生物成功構(gòu)建了第一個(gè)集成系統(tǒng)，將這一設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。后來(lái)，他們推出了更為優(yōu)秀的“2.0 版本”。

人工光合作用系統(tǒng)其實(shí)是模仿植物的光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。植物的光合作用是利用吸收的太陽(yáng)光，將大氣中的二氧化碳和水，轉(zhuǎn)化為糖類等有機(jī)物，供植物進(jìn)行各種代謝活動(dòng)。事實(shí)上，我們使用的煤、石油和天然氣等也是來(lái)自原始植物的能量積累。

人工光合作用系統(tǒng)主要由兩部分組成，即半導(dǎo)體和微生物工程細(xì)菌。半導(dǎo)體負(fù)責(zé)吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為電能，具有特定功能的工程細(xì)菌利用這種能量，將吸收的二氧化碳合成為特定的有機(jī)物（將電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能）。目前，人工光合作用對(duì)太陽(yáng)能的利用效率可以達(dá)到8%～10%，相比于植物的光合作用效率提高了約20倍。此外，其生成的產(chǎn)物并不會(huì)像植物一樣被細(xì)菌代謝掉，從而保證了更高的產(chǎn)物產(chǎn)率。

那么，可以將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的人工光合作用系統(tǒng)究竟是怎么工作的呢？

人工光合作用是如何工作的？

以醋酸的生產(chǎn)為例，醋酸（學(xué)名乙酸），是含有兩個(gè)碳的重要有機(jī)化學(xué)品，也是食醋的主要成分。在人工光合作用系統(tǒng)中，研究者選擇厭氧的熱醋穆?tīng)柺暇髦鹘牵㈤_(kāi)發(fā)出金納米簇?zé)o機(jī)材料進(jìn)行光的吸收。之后，將被注入金納米簇的工程菌置于特定的培養(yǎng)液中，保持純二氧化碳的無(wú)氧氣氛，給予一定強(qiáng)度的光照。再經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的程序，成功合成醋酸分子物，并釋放到培養(yǎng)液中以備利用。

研究醋酸的人工光合作用合成，不僅僅是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，研究這一合成過(guò)程的初衷是因?yàn)橐宜嵩诨ぎa(chǎn)業(yè)中的重要應(yīng)用。舉個(gè)例子，以醋酸為原材料，我們可以生產(chǎn)丁醇， 而丁醇因其特性，被稱為未來(lái)可以替代石油的新型燃料。此外，利用醋酸，我們還可以利用聚合反應(yīng)合成高分子材料，合成青蒿素等藥物中間體。而這些都將是我們未來(lái)在火星上生存下來(lái)所必不可少的化學(xué)品。

移民火星未來(lái)可期

在我們成功打開(kāi)人工光合作用合成化學(xué)品這一潘多拉寶盒之后，未來(lái)更多的化學(xué)品也將會(huì)被源源不斷地合成出來(lái)。比如，火星上還有4%的氮?dú)?，如果未?lái)開(kāi)發(fā)出新的人工光合作用集成系統(tǒng)，將氮?dú)夂铣砂被衔?，就可以為移民火星提供充裕的肥料用于農(nóng)作物的種植了。

否則，未來(lái)移民火星的時(shí)候，恐怕我們只能和《火星救援》中的男主一樣，用有味道的有機(jī)肥來(lái)種植瓜果蔬菜了……