马斯克的火星梦基础，来自一百多年前的发现

最近马斯克宣布spaceX公司准备在地球上进行甲烷的生产，原料是大气里面的二氧化碳，这个反应的原理其实就是萨巴蒂尔反应（Sabatier reaction）。

萨巴蒂尔，1912年诺贝尔化学奖得主

萨巴蒂尔是一位法国化学家，曾经获得过诺贝尔化学奖，他对萨巴蒂尔反应进行了很深入的研究。萨巴蒂尔反应简单的来说，就是氢气和二氧化碳，能够产生反应，生成水和甲烷。

很难得的是，这个反应是放热反应，也就是说，它在反应中会释放出热量，这部分能量是可以回收利用的。并且在催化剂（镍或者钌）存在的情况下，反应条件更低，甚至可以自发反应。而且反应非常彻底，气体只要在反应器里面通过一次，就可以达到99%以上的反应率，这对于工业化生产也很重要，可以大大地减少生产设施的设计复杂度。

为什么马斯克对萨巴蒂尔反应这么感兴趣，其实这就涉及到一个原位资源利用的概念。由于地球和火星之间的遥远距离，任何带到火星的载荷，都需要付出巨大的代价，先从地表运到轨道上。如果一个登陆火星的飞船需要返回地球，它就必须首先到达地球轨道上，并带足去程和返程的燃料。

可是火星并不是月球，它有大气层啊，为什么不能利用火星的大气呢？这就是“原位资源利用”的概念。火星的大气里面有二氧化碳，只要提取出来，与氢结合，就可以生产出来甲烷和水，水电解以后可以获得氧气。而液氧和甲烷完全可以作为燃料，给火箭提供动力。能在火星上就地制取火箭燃料，就可以大大降低费用，让飞船不需要携带返程燃料，就能登陆火星。

利用萨巴蒂尔反应制取燃料的原理如图，首先使用压缩机压缩火星大气，这样二氧化碳就会变成液体，然后经过过滤，留下纯净的液体二氧化碳。火星大气里面的氮气和氩气则还是气态，则可以排放掉，或者储存起来他用。二氧化碳和氢气则分别通过热交换器，加温，然后进入反应釜，进行萨巴蒂尔反应，前面说过，反应釜只需要装有催化剂，就可以让反应高效运行。反应后产生水蒸气和甲烷的混合物。由于是放热反应，反应产物温度很高，它们经过热交换器，不仅可以加热反应前的二氧化碳和氢气，也可以驱动斯特林发动机，作为整个反应装置的动力。而水蒸气和甲烷的混合物只要经过冷凝，就可以把水和甲烷分离开。甲烷经过降温加压可以液化长期储存。而水，可以电解生成氧气和氢气，氢气继续参与反应，而氧气可以储存起来作为火箭氧化剂，或者宇航员呼吸用。

当然，这个反应也可以加入一氧化碳的制取，那个稍微复杂，好处是氧气制取更多，但是在地球上没有意义，不再赘述。

可能有人问了，反应的原料氢从哪里来。可以有两种渠道，一个是飞船携带水，去往火星，路上水作为维持宇航员生存使用，同时循环利用。还有一个渠道就是在火星表面开采冰，2008年美国的凤凰号探测器，就在火星表面发现了冰冻水。但是火星表面水的储藏量和分布并不确定，还需要中国和美国的火星车详细勘探后才能确认。可以确定的是，只要在火星表面发现了冰冻水资源，那个地方就会成为将来登火飞船的着陆点。只要有水，通过太阳能就能电解水获得氧气和氢气。

现在话说回来了，马斯克为什么要在地球上进行这种操作？

其实原因很简单，他既然要登陆火星，在地球上验证萨巴蒂尔反应制取甲烷的生产装置是必不可少的过程。既然现在碳中和这么热，能够把大气层内二氧化碳消耗掉的工业装置，是一个有利可图的生意。甲烷也是马斯克的星舰火箭重要燃料，他自己生产甲烷，既可以满足自己需要，又可以验证火星燃料制取工艺技术，甚至还可以参与碳中和的生意，获得额外利润，何乐而不为呢。

现在的问题是，中国有着强大的工业能力，要不要也在里面横插一杠子，走马斯克的路，让马斯克无路可走？