移民火星之路，人類已經走完前半段。

我國天問一號探測器自2021年5月成功登陸火星以來，一直在勘察火星環境。為下一步駐紮火星，積攢實測資料和資料。

穿越頭頂繁星，人類的目光沒有盡頭。火星，只是人類移居太空的第一站。

雖然現代航天研究已經掌握了登陸火星的技術，但是還沒有解決從火星上返航的難題。其中關鍵的一點，是火星上缺乏把火箭送進太空的燃料。

現在我們使用的主力火箭燃料，通常是液態燃料。我國新一代運載火箭，比如長征五號和長征七號，用的就是液氫和液氧的低溫推進劑。但是液氫密度低，燃料佔用的儲存體積太大，下一步液體燃料的設想是：用液態甲烷代替液氫。火箭的新燃料配方，是液氧甲烷。

如果使用液氧甲烷的火箭新燃料，把載人飛行器從火星表面發射到低火星軌道，需要30噸的甲烷和液氧。直接從地球上運輸這批燃料到火星，需要約80億美元的運費。如果不從地球上運輸燃料，能夠就地取材，在火星上製造返程燃料的話，那就解決了殖民火星路上的一個大麻煩。

NASA提出的就地製造燃料方案，是用二氧化碳製造氧氣。火星大氣層裡95%的成分是二氧化碳，使用化學催化法，把火星大氣裡的二氧化碳轉化為氧氣。不過甲烷問題沒法解決，依然需要從地球上運輸甲烷到火星。

2021年10月，佐治亞理工學院提出一個新思路，在火星上製造生物燃料，代替甲烷，給火箭提供助推劑。

生物燃料

生物燃料的生產過程很簡單，原料是火星上的原始資源：二氧化碳，陽光和冰。製造燃料的生產商來自地球，也很簡單，只有2樣，一種是藍藻，另一種是工程大腸桿菌。

透過光合作用，藍藻吸收二氧化碳，生產氧氣和葡萄糖。透過新陳代謝，大腸桿菌分解葡萄糖，生產2，3-丁二醇。丁二醇就是推動火箭發射的生物燃料。

這套製造生物燃料的方法，叫做：就地利用資源生物製造策略（bio-ISRU）。它的效率比就地利用資源的化學制造方法更有優勢。

來看火星上製造生物燃料的原料和生產條件。

• 藍藻

藍藻是古老的原核生物，是地球上最早出現的能夠進行光合作用，製造氧氣的生物。

在藍藻出現之前，地球大氣層裡並沒有的氧氣。藍藻憑一己之力，重新改造地球生態環境，建立適合當今生物生活的地球大氣。

能夠改造地球的藍藻，是改造火星的首選生物原料。

• 大腸桿菌

大腸桿菌是簡單的原核生物。

普通人對大腸桿菌的印象，大多是它會汙染我們的食物水源，讓人鬧肚子。讓人反感的大腸桿菌，卻是生物實驗室裡的明星代表。

由於生長快，對氧氣和溫度的要求低，大腸桿菌很容易培養。另外它的基因簡單，容易接納外來基因。在生物技術中，大腸桿菌是用得最多的工程菌種。

使用廣泛，容易培養的大腸桿菌，入選火星生物燃料的原料名單。

火星條件
生物原料有了，還要配置適應的生產環境。火星跟地球的條件不同，在火星上製造生物燃料，主要挑戰有2點，溫度和輻射。

• 溫度

跟地球相比，火星非常冷。火星表面的平均溫度為-55°C，而地球表面為15°C。2種微生物生長的最佳溫度：藍藻為35°C，大腸桿菌為37°C。雖然-55°C的溫度不會把藍藻和大腸桿菌凍死，但是它們會停止生長。

團隊考慮製造類似溫室的反應器，反應器能夠吸收太陽輻射，為生物原料提供必需的溫度。

• 輻射

火星大氣層非常薄，厚度只有地球大氣層的1%。透過大氣層照射到火星陸地的紫外線非常強。

藍藻生活的溫室反應器，除了提高溫度外，還要有抵抗強烈紫外線的作用，保護適應地球環境的藍藻不被紫外線殺死。

解決了藍藻和大腸桿菌生活的環境問題後，團隊設計出一套火星生物燃料製造裝置（見上圖），其中包括4塊足球場大的光生物反應器。藍藻在反應器中生長，如果提高藍藻的生長速度，還能進一步減小反應器的尺寸。

跟之前NASA提出的化學制造法相比（火星上化學催化二氧化碳製造氧氣，然後從地球上運輸甲烷到火星）。生物燃料策略能節約32%的製造能源，生產出2.8倍的燃料，另外，還能產生20噸多餘的氧氣。

生物燃料的優勢

作為火星新燃料的2，3-丁二醇，是地球上很常見的化學原料，廣泛用於化工、食品和醫藥中。可以合成橡膠，製備油墨、香水、軟化劑。但是，使用2，3-丁二醇作為火箭燃料，卻是一招創新設想。

火星資源貧瘠，二氧化碳是少量可用資源之一。地球上的藻類、植物這些生物，正是利用二氧化碳的高手。用生物燃料代替化學燃料，妥妥地適用於火星。

利用有限資源，消耗最少能源，生產所需產品，這也正是生物的特長。

我們的征途是星辰大海，期待早日移居火星。

1、Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy, Nature Communications (2021)

2、Regulation of functional groups on graphene quantum dots directs selective CO2 to CH4 conversion, Nature Communications (2021)