火星水资源探测、开采及原位利用研究进展

作者：赵健楠，赵源，张诗琪，肖龙

第一作者单位：中国地质大学(武汉)

引用格式：赵健楠，赵源，张诗琪，等. 火星水资源探测、开采及原位利用研究进展[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2024, 52 (08) : 29-40.

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摘要：针对未来火星基地建设和资源利用的需求，综述了火星水资源探测、开采及原位利用的研究进展．首先，系统回顾了影像和光谱数据分析、雷达探测等火星水资源的探测方式；然后，分析了包括大气水资源、极区和中高纬度地下水冰资源及含水矿物水资源在内的火星可利用水资源的赋存状况；此外，探讨了不同类型的水资源的提取和开采技术及原位利用途径．在此基础上，分析了当前存在的主要问题，建议对火星水资源的分布和储量开展进一步勘查，加强水资源开采过程的系统规划，并对具体选址区开展水资源开采利用的针对性研究．本文将为我国未来载人火星探测及火星科研站建设任务提供参考．

火星是地球的近邻，也是太阳系中除地球之外最可能存在生命的行星，因此一直是国际深空探测的重要目标．自20世纪60年代以来，人类已经实施了近50次火星探测任务．随着技术的进步，火星探测已从早期的环绕和着陆探测向巡视及采样返回过渡，而载人探测及火星基地建设也已经被提上日程[1-2]．美国将火星确定为“美国国家航空航天局(NASA)人类探索计划的最终目的地”[3]，正在评估为登月任务设计的“猎户座”多用途载人飞行器用于火星载人任务的可行性，并计划通过11次发射任务在地月间建成“火星大本营”，最终从月球轨道出发飞向火星．到达火星轨道后，利用可重复使用的飞行器往返火星[4]．欧洲空间局提出了名为“Terrae Novae”的任务，以实现载人火星任务作为最终目标[5]．中国也对火星载人探测和火星科研站建设开展了初步论证[6-7]．在这些任务中，充分结合火星地质环境条件开展原位资源利用(in-situ resource utilization，ISRU)对于降低任务成本、保障原料供应具有重要作用，是任务顺利实施的关键．

原位资源利用是指在深空探测的目标星体上利用当地资源来满足基础设施建设和物资需求[8]．它能减少任务的载荷和成本，降低人类探索的风险，并最终实现不依靠地球的自给自足[9]．早期对原位资源利用的研究主要集中在月球．在20世纪60年代“阿波罗计划”提出后，美国即对月球的太阳能、可能存在的地热能、地质结构利用与火箭燃料的提取作了初步的可行性研究[10]．此后还提出原位利用月球表面物质建设月球基地，制造深空探索飞船和空间站的构想[11]．近年来，载人登月和月面长期驻留重新成为各国月球任务的重点，美国于2017年开始了以重返月球为目标的“阿尔忒弥斯计划”[12-13]，中国宣布了国际月球科研站计划[14-15]，欧洲航天局也提出了自己的月球探索计划[16-18]，这些任务都高度关注月球原位资源的探测及利用[19-21]．

相比于月球资源利用，火星ISRU起步相对较晚，但进展迅速．Ash等[22]对火星资源的利用开展了初步分析，发现从地球发射各种资源到火星表面以维持火星任务的设想成本巨大，难以实施．因此，他们认为在火星表面开展ISRU非常重要，并指出可利用火星大气中的二氧化碳和土壤中的水以获取重要的气体和燃料．目前，美国“毅力号”火星车已经实现了氧气的火星原位制备，迈出了火星ISRU的重要一步[23]．当前研究表明，火星表面可利用的资源主要包括大气资源、风力资源、太阳能资源、土壤和岩石矿物资源、水资源等．其中水是生命赖以生存的物质基础[24]，是评估火星环境宜居性、寻找火星生命的重要线索[25]，也是多种化学反应的溶剂及工程建设的必要资源[26-27]，一直是火星探测及资源利用关注的重点．因此，开展火星水(冰)资源的探测、开采及利用的研究至关重要．本文将围绕火星水资源，着重介绍在探测方式、赋存情况、开采技术及原位利用等方面的研究进展，分析存在的问题并提出展望，为我国未来载人火星探测及火星科研站建设任务提供参考．

1 火星水资源的探测方式

1.1　影像和光谱探测

在人类开展深空探测的初期，对火星水的探测主要依赖于遥感影像，通过识别火星表面与水或冰的活动相关的地貌特征来推测水的存在．“水手号(Mariner)”和“海盗号(Viking)”系列探测器获得的低分辨率影像(每像素大于200 m)揭示了火星表面峡谷网、外流河道、古湖泊盆地等水成地貌的存在，指示火星曾有广泛的液态水活动[28-30]．同时，它们也识别出发育于火星中纬度的类冰川地貌、富冰沉积物，并对火星两极的极冠进行了观测[31]，为火星水资源研究提供了目标．随后发射的一系列探测器获取了分辨率更高的影像数据，如“火星全球勘探者(Mars Global Surveyor，MGS)”搭载的火星轨道器相机(mars orbiter camera，MOC)可获取分辨率达每像素2 m的窄角影像，“火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter，MRO)”搭载的背景相机(context camera，CTX)获取了近乎覆盖全球且分辨率高于每像素6 m的影像，搭载的高分辨率成像科学实验相机(high resolution imaging science experiment，HiRISE)的影像分辨率可达每像素0.25 m．它们发现了更多与火星水和冰相关地貌，甚至直接观测到了出露于火星表面的水冰[32-36]．

为了进一步证实水冰的存在，并与火星干冰加以区分，还须要利用光谱数据进行确认．在近红外光谱中，水冰通常在1.26，1.50和2.02 μm附近存在吸收特征，区别于干冰在1.44，1.58，1.99，2.29和2.35 μm附近的吸收，因此利用近红外光谱即可确认水冰的存在[37-38]．例如，“火星快车(Mars Express)”探测器搭载的可见光及红外矿物制图光谱仪(observatoire pour la minéralogie，l' Eau，les glaces et l'Activité，OMEGA)获取了火星南极极冠的物质成分，发现极冠中存在水冰[39]；MRO搭载的火星专用小型侦察影像光谱仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars，CRISM)进一步揭示了火星南极水冰和干冰随时间的变化特征．此外，利用热红外光谱，可对火星表面热物理性质进行分析，如“火星奥德赛(Mars Odyssey)”探测器搭载的热辐射成像系统(thermal emission imaging system，THEMIS)和MGS搭载的热辐射光谱仪(thermal emission spectrometer，TES)对南极极冠热物理性质的测量和模拟也证实了南极极冠中存在水冰[40]．同时，光谱数据也用来识别火星含水矿物，为探测矿物中的水资源提供支持[41-42]．

除遥感探测外，火星着陆器和火星车携带的相机及光谱仪可对火星水、冰的赋存状况开展更为详细的原位探测．1976年在火星乌托邦平原(Utopia Planitia)北部着陆的“海盗2号”着陆器拍摄到了覆盖火星表面的水冰霜冻层[28]．2007年着陆于火星北极区附近的“凤凰号”直接证实了火星近地表水冰的存在，还观测到了-65 °C气温下火星的降雪过程[43]．着陆于乌托邦平原南部的我国“祝融号”火星车搭载的火星表面成分探测仪(Mars surface composition detector，MarSCoDe)也识别出岩石及沙丘表面的硫酸盐等含水矿物[44-45]．

1.2　雷达探测

雷达探测是识别火星次表层水冰最为有效的方式之一，其不受光照条件的影响，发射的低频电磁波信号可在一定程度上穿透土壤、冰、岩石等介质，获得地下物质特性和分层结构[46-47]．目前的火星探测任务中已有雷达包括MRO搭载的浅层雷达(shallow radar，SHARAD)、火星快车搭载的火星次表层和电离层探测先进雷达(Mars advanced radar for subsurface and ionosphere sounding，MARSIS)、中国“天问一号”搭载的火星环绕器次表层探测雷达(Mars orbiter subsurface investigation radar，MOSIR)等轨道器雷达载荷，以及“祝融号”火星车次表层探测雷达(rover penetrating radar，RoPeR)和“毅力号”火星次表层实验雷达成像仪(radarimager for Mars' subsurface experiment，RIMFAX)等火星车探地雷达．这些雷达为地下水冰资源的探测提供了新的可靠途径，目前已经揭示了火星极区水资源的赋存状态、极区沉积的结构和水冰体积[48]，并发现在火星中纬度区域表层之下广泛存在冰层[49-50]．

1.3　其他探测方式

“火星奥德赛”探测器搭载的伽马射线谱仪(gamma-ray spectrometer，GRS)也获得了火星水资源分布的重要信息．GRS由伽马射线探测器、中子谱仪和高能中子探测器三部分组成，通过后两者可以测量散射中子信号以确定氢的丰度，进而推测出火星表层土壤中的水含量．基于此，GRS已经获得了火星表层水含量的全球分布及季节性变化特征(图1)[51-52]．

图1 由“火星奥德赛”中子谱仪数据得到的火星表层水质量分数[52]

此外，火星轨道器和着陆器也可利用针对性的探测载荷直接对环境湿度、大气或土壤中的水含量进行探测．“海盗号”轨道器上搭载的火星大气水分探测器(Martian atmospheric water detector，MAWD)对火星大气中的水蒸气分布首次进行了详细调查[31]．“好奇号”火星车搭载的火星样本分析仪(sample analysis at Mars，SAM)可用于分析土壤中的水含量，中子反照率动态探测器(dynamic albedo of neutrons，DAN)可测量地下氢含量进而推测水及含水矿物的分布，火星车环境监测站(rover environmental monitoring station，REMS)可测量包括湿度、温度在内的火星表面环境条件[53-54]．这些载荷可相互配合，共同揭示巡视探测区的水资源赋存状况．

2 火星水资源的赋存状况

基于前述多种探测手段，目前已经对火星表面水资源的赋存情况有了初步的认识．当前火星可利用的水资源主要包括大气中的水资源、极地和中高纬度地下水冰资源及含水矿物中的水资源．

2.1　大气水资源

火星具有稀薄的大气，其主要成分为二氧化碳(体积分数95.3%)，水只占到大气的约0.03%[31]．虽然大气中可获得的水资源较少且不集中，但却是火星上为数不多的全球性水源[55]．对火星大气水的观测始于20世纪六七十年代，其中“海盗号”轨道器搭载的MAWD获得了超过一个火星年的全球范围水汽变化及分布数据[31]．

近年来，包括“火星全球勘探者”、“火星快车”、“火星勘测轨道”飞行器在内的探测任务对火星大气开展了持续观测，获得的观测数据表明，火星大气中水蒸气的全球年平均柱丰度为10~15 g/m2，受季节变化和纬度影响，柱丰度在50~70 g/m2的最大值到小于5 g/m2的最小值之间变化[56]．在垂直分布上，水汽主要存在于接近地表的约1~3 km厚的大气含水层内[57]，纵向分布情况随季节和纬度变化而有所改变(图2)：每年北半球初夏(太阳经度为100°~120°)极地冰盖升华时，北纬70°~80°的水蒸气柱丰度达到最高的50~70 g/m2，此时南半球低纬区仅约5 g/m2；自太阳经度为130°开始，北半球极区的水蒸气柱丰度急剧减少，在秋分时(太阳经度为170°)降低至5~10 g/m2以下，而此时在北半球0°~30°的低纬地区，水蒸气柱丰度达到了该区域的全年最高值并持续至次年春季才开始下降[56]．此外，欧洲空间局“痕量气体轨道器(trace gas orbiter，TGO)”搭载的火星掩星和天底点观测光谱仪(nadir and occultation for Mars discovery，NOMAD)获得的新数据也揭示了火星水蒸气的传输和垂直分布特征的细节差异：当火星在远日点时，从北极冰盖升华的水蒸气仅出现于低层大气中，南北水汽输送微弱；在近日点时，从南极冰盖升华的水蒸气能够到达高空，此时除北半球高纬度地区以外，火星中层大气中广泛存在大量水蒸气，大气经向环流对水汽输送效率更高，这种季节性差异导致在南半球夏季时火星赤道附近的水汽丰度高于北半球夏季[58]．

图2 利用“火星快车”大气光谱仪数据得到的五个火星年内大气水蒸气平均柱丰度的季节分布(色标单位：g/m2)[56]

2.2　极区水资源

火星两极覆盖有面积广阔、数千米厚的极冠，其主要由干冰、水冰和沙尘等物质构成．极区水资源主要包括残留冰盖和极地层状沉积物中的水冰．除此之外，北极和南极极冠的水冰还分别存在于基底单元和银色山脊组沉积物之中[43，59]．

火星北极极冠的总厚度可达3 km以上，自上而下由季节性冰盖、残留冰盖(永久冰盖)、北极层状沉积物和基底单元构成[28]．利用火星快车MARSIS雷达数据得到北极极冠中水冰的总体积约为(1.3±0.2)×106 km3[48]．其中，北极层状沉积物单元具有最高的水冰储量，它是由厚度超过2 km的尘埃和水冰构成的层状结构，总体积约为1.14×106 km3，水冰体积约(7.8±1.2)×105 km3[48]．对于基底单元，Ojha等[60]通过分析重力数据得到该单元的密度为2 007(+493/-445) kg/m3，进而得到水冰的体积至少为2.2×105 km3．

南极极冠的厚度及结构与北极极冠相似，也可分为四层，最下层被称为银色山脊组沉积物．对MARSIS雷达数据的分析表明，南极层状沉积物的厚度可达3 km以上，水冰的总体积约为(1.6±0.2)×106 km3，相当于(11±1.4) m的火星全球等效水层(global equivalent layer of water，GELW)[61]；同时，Zuber等[62]计算得到南极层状沉积物的密度约为1.220 kg /m3，与混有15%灰尘的水冰的密度相当，证实了南极层状沉积物由相对纯净的水冰组成．利用SHARAD和MARSIS雷达数据对南极极冠最下层的银色山脊组沉积物的研究表明，该单元以干沉积物为主，水冰可能只占很小的体积[63]．

此外，最新的研究表明，火星南极极冠之下很可能有液态水存在．Orosei等[64]利用MARSIS雷达数据发现在193°E，81°S处的南极层状沉积物之下存在范围约20 km的特殊区域，该区域拥有突出的高反照率及高介电常数，表现出一系列液态水的特征．这一现象被认为是地下稳定存在液态卤水所致．随后，Lauro等[65]对这一区域周边开展了更大范围的研究，发现了多个可能存在的地下水体．这一发现刷新了人们对目前干冷的火星上液态水赋存情况的认识，开辟了火星水资源探测的新空间，但是由于雷达信号的多解性，Schroeder等[66]提出前人观测到的信号也可能由导电沉积物或卤水冰导致，并不能完全确认液态水的存在，因此还有待进一步研究．

2.3　中纬度地下水冰资源

早期的研究通过对火星表面冰川地貌的分布来推测地下水冰的分布，研究者利用“海盗号”轨道器影像分析了舌状碎屑堆积体、同心状撞击坑充填和地表软化等三种可能指示地下水冰存在的冰川地貌，发现它们主要分布于南北纬30°以上的中高纬地区，指示这些区域可能广泛存在地下水冰[67]．Levy等[68]对这些冰川地貌进行了更为详细的识别和分析，认为它们封存的水冰体积应在1.25×105~3.74×105 km3之间．

在地下水冰的埋藏深度方面，利用理论模型开展的预测表明，火星中纬度地下水冰可存在于距地表0.1 m之内，一般不超过1 m，但该深度会随大气水含量和季节发生变化，且难以约束深度下限[69-70]．利用THEMIS及MRO探测器搭载的火星气候探测仪(Mars climate sounder，MCS)数据，Piqueux等[71]进一步验证了上述结果，如图3即展示了所获得的火星地下水冰层深度图，图中黑色区域为热惯量较低、灰尘覆盖严重而未开展研究的区域；PHX，VL1和VL2指示“凤凰号”、“海盗1号”和“海盗2号”着陆点；白色菱形指示Dundas等[35]识别的暴露有水冰的陡崖；白色方块指示暴露出水冰的新鲜撞击坑；红色方块指示未暴露水冰的新鲜撞击坑．同时，雷达探测也确认了中纬度近地表水冰的存在，例如美国实施的火星地下水冰测绘(subsurface water ice mapping，SWIM)项目利用雷达数据已在阿耳卡狄亚平原区域发现近地表水冰[72]．

图3 由MRO火星气候探测仪数据获得的火星地下水冰层深度图(色标单位：m)[71]

中纬度地下水冰也可通过撞击坑或陡崖直接暴露于地表．Byrne等[73]对火星北半球中纬度的5处新鲜撞击坑及其暴露的地下冰进行了研究，证实存在厚度小于1 m的较为纯净的冰层．随后，Dundas等[35]研究了20个分布于火星中高纬地区的新鲜撞击坑，发现坑底暴露有水冰的撞击坑在火星北半球的分布范围可低至39°N(图3)．此外，利用HiRISE影像和CRISM光谱数据，Dundas等[34]在火星中纬度区域发现了8处暴露于陡崖上的浅层水冰(图3)，这些埋深较浅的纯净水冰易于开采，可作为未来火星水资源利用的重要目标．

2.4　矿物中的水资源

含水矿物在火星表面广泛分布，利用OMEGA和CRISM等获取的光谱数据已经在火星表面识别出上千处含水矿物(图4)[41]．这些矿物主要包括蒙脱石、高岭石等层状硅酸盐类，硫酸盐、碳酸盐等蒸发盐类及水合二氧化硅[74]．其中，铁/镁层状硅酸盐矿物和富铝层状硅酸盐矿物是火星上分布最广的含水矿物[41]．这些矿物主要分布于火星南部高原区，而北部平原区由于受灰尘覆盖的影响，仅有少量含水矿物被发现．火星含水矿物分布见图4，图中蓝色、红色和黄色圆点分别为OMEGA，CRISM及两者联合探测到的含水矿物．

图4 火星含水矿物分布图[41]

上述矿物中的结合水是火星水资源的重要组成部分．Mustard[75]综合分析了火星轨道器、着陆巡视器数据及对陨石的研究结果，估算出诺亚纪火星壳中含水矿物的体积约为1%~10%，结合火星壳的密度及含水矿物的化学成分分析，认为当发生蚀变的火星壳厚度为1 km时，含水矿物中的水含量在15.5~93.0 m(GELW)，而当蚀变的火星壳厚度为10 km时，水含量可达155~930 m(GELW)．在此基础上，Wernicke等[76]结合火星奥德赛号中子谱仪和OMEGA光谱数据，进一步得到火星含水矿物所储存水资源量的最佳估计值为130~260 m(GELW)，并可扩大至70~860 m(GELW)的合理范围区间．

3 火星水资源开采与原位利用技术

3.1　水资源提取与开采

3.1.1　大气水的提取

对火星大气中水蒸气的提取主要采用吸附的方式．Williams等[77]提出了水蒸气吸附反应器的概念，其采用与催化反应器相似的设计，通过风扇吸入火星大气，利用多孔的沸石分子筛从大气吸附水．为了有选择性地吸附水而非二氧化碳，须要选择孔径为0.3 nm的沸石，这一孔径略大于水但小于二氧化碳．该方案实施过程简单，消耗能量少，但要将吸附物和水分离具有一定难度，一般采用加热的方式使吸附分子的内能大于沸石与水间的范德华力强度，从而达到获得水的目的．此外，金属有机框架也可用来吸附水，它是一种新型的微米和纳米多孔材料，具有可调节的几何形状/拓扑结构[78]．目前，在地球水资源短缺的偏远地区，已有研究尝试利用金属有机框架来吸收大气中的水以获得水资源[79]．相比于地球，火星上大气压较小，水蒸气浓度较低，导致在火星大气吸附水是一个相对耗能且低效的工作[55]，但或许可以制备出适应火星环境的金属有机框架，以最大限度地提高火星大气水的吸附效率．

冷凝和加压是提取火星大气水的另一种技术路线．England[80]设计了火星大气资源回收系统，主要功能是通过冷凝和压缩来收集火星大气中的氧气，在这一过程中势必会收集火星大气中占主体的二氧化碳，利用二氧化碳膨胀所释放的能量来减少这一装置的能量消耗．在大气中占比较小的水蒸气为这一过程当中的副产品，估计每生产8 kg氧气能得到约1 kg的水，不过由于大气水含量在不同地区和季节的差异较大，因此这一数据也会随大气水含量的变化而变化．

综合来看，吸附方式的优势在于选择性较强，使用电能较少，甚至理想状况下无须使用能源，但用于吸附的多孔材料长期使用会有所损耗，导致吸附性能降低；而冷凝和加压虽然不存在损耗的问题，但却较为耗能，在火星较低的水蒸气浓度下，能效比不高．

3.1.2　水冰开采

火星可集中开采的水冰主要为南北两极冰盖和地下水冰．但由于纬度较高、温度较低的两极不适宜生存，且冰冻的风化层难以进行挖掘和钻孔作业[81]，因此不会作为载人任务的首选，当前的研究主要关注地下水冰的开采[8]．

对于浅层的土壤水冰，美国研发了名为“破冰器”的火星钻探设备，并在模拟火星南极条件的环境下进行测试，结果表明这种钻机能够在火星冰冷坚硬的中高纬度土壤中，于1 h内钻取到达约1 m的深度[82]．基于这项技术，美国研发了“移动式原位水提取机”，该设备可在火星表面移动，同时利用螺旋钻进技术采集表层火壤，进而在挥发物提取和捕获系统中加热火壤并收集水分．该设计使其能在小区域内连续作业，在水罐装满后驶回基地[81]．

对于更深层的水冰，将很难采用挖掘的方式提取[83]，因此以钻孔方式提取地下水冰的罗德里格斯井(Rodriguez Well)技术可作为获取火星地下较深处水冰的优选方式．该技术须要先用机械方式从地表向下钻孔，再向下输送热水以融化水冰，形成液态水腔，最后用管道泵送水．一部分水在地表被加热后重新送回液态水腔中，形成热循环．这种方法使水既成为开采的资源，又成为工作流体，可有效为水池增加热量并融化更多的水冰[8]．目前这一技术已在地球高纬区域成熟应用，但在火星上使用Rodriguez Well技术还须考虑如下问题：a．其功耗与开采的效率并不能满足在火星作业的要求，因此必须提高其工作效率；b．该技术须进行持续的热循环以保持地下液态水的存在，故要考虑如何在火星上维持这种平衡；c．火星大气的压力和温度接近水的三相点，须计算地下液态水腔因蒸发产生的损失；d．火星地下水冰是否是完全压实的固体冰．

为了解决这些问题，靳宇等[83]设计了集勘探与开采为一体的绳系式掘探器，它由绳系式掘进器、星表支持设备、星表水处理设备和样品采集与转移装置等四大部分构成．其中，绳系式掘进器可自主潜入地下预定深度进行勘查，随后利用料斗及滑轮组构成的样本采集与转移装置运送较深处含水冰的固体碎屑颗粒至星表水处理设备．该装置的优势是能够选择性地采集不同深度的水冰样本．对于极地高纯度的地下水冰，靳宇等[83]也提出了另一种改进的Rodriguez Well技术，其特点是在采取机械方式从地表钻进冰层后，将加热泵下放至冰层．这种方法无须热水循环，能够持续加热地下水冰层，使得融化的水冰保持液态．

3.1.3　矿物中水的提取

从含水矿物中开采水资源具有多种优势：一方面，这些矿物集中于温度相对较高的赤道和中纬度地区的表层土壤中[41]，土质较软，便于挖掘，且有可能和地下水冰共同开采利用[8]；另一方面，虽然这些含水矿物在500 ℃的高温下方可脱去全部的结合水，但在火星大气压下，将其加热到300 ℃就足以释放其中大部分的水资源[84]．

NASA研发了多种用于采集火壤并提取其中含水矿物水资源的技术．“火壤先进表面系统操作机器人(Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot，RASSOR)”可挖掘火壤并运送至“火星大气和火壤原位收集处理器(Mars Atmosphere and Regolith COllector/PrOcessor for Lander Operations，MARCO POLO)”．后者可对土壤充分搅拌混合并加热到500 ℃，同时释放预热过的氮气和二氧化碳来促进水蒸气的释放，水蒸气最终在冷凝器中变为可收集的液态水[85]．在该方案基础上，NASA进一步提出了新的“火星原位资源利用探路者(Mars ISRU Pathfinder)”计划，研发了RASSOR 2.0，对土壤的采集方式进行了改进，以降低RASSOR的质量并在低重力下作业时保持稳定[86]．

在含水矿物中水的提取方面，NASA提出了螺旋干燥机、微波干燥机及露天干燥机三种概念性方案．螺旋干燥机将土壤输送至全封闭的加热螺旋管道中，再加压将其中的水蒸气压入冷凝设备以收集水分；微波干燥机将土壤送入谐振腔干燥器微波加热，再捕获产生的水蒸气并送入冷凝器；露天干燥机能够利用火星大气，将加热升华的水蒸气吹入冷凝器，这种方法会损失一部分水分，但能减少对高温密封组件的需求[84]．

3.2　火星水资源的原位利用

3.2.1　火星水的净化

火壤中广泛存在高氯酸盐，虽然其可降低水的冰点，使得当前的火星有存在液态水的可能[87]，但可导致粗提取的水中存在盐类杂质．因此除火星大气水外，从地下水冰、南极冰盖下液态水及含水矿物中获得的水资源均可能含有一定的盐分[27]．开展水资源的原位利用，有必要首先对获取的水进行净化处理[8]．

上文提到的“火星大气和火壤原位收集处理器”即设计了净水模块，选用Nafion膜去除高氯酸盐．它是一种对水具有高度选择性的全氟磺酸半透膜，可在滤出洁净水的同时保证水的传输过滤速度，并具有一定的化学耐受性[85，88]．生物工程技术也可为火星水的净化提供支持，例如可生产包含高氯酸盐还原酶的生物制品，将水中的高氯酸盐分解为氧气和氯气，从而达到净化目的[89]．此外，还可电解含有盐类杂质的水获得氢气和氧气后再统一收集点燃以制得纯水，或是利用蒸馏、逆渗透及电泳超滤技术等[3]．

3.2.2　火星水的原位利用途径

火星水的原位利用途径极为广泛．对于载人任务，水是维持人类生命必不可少的资源，同时也可被用来屏蔽辐射，灌溉植物[90]．水也是制备氢气、氧气等重要气体的原料．除此之外，水在火星原位建造过程中也具有极为重要的作用[26，91]．

MARCO POLO[85]及后续的ISRU Pathfinder[92]原位利用的基本目标是获得甲烷和氧气，并把氧气加工成液氧，用于液氧/甲烷推进器的点火，从而能够利用原位资源实现火星返回任务．主要利用了Sabatier反应[93]，所涉及的反应过程为：

其中，氧气和甲烷为目标产物，水可重复利用，一氧化碳是须要去除的杂质．在主反应(2)过程中，二氧化碳可直接从火星大气中获得，但氢气只能由水电解获得，因此稳定的水源是保障整个反应进行的关键[3，8]．

水也是火星原位建造过程中不可或缺的基本原料．一方面，水或水冰可直接制成冰砖，用于火星表面设施的建造；另一方面，水是原位合成建筑材料必不可少的物质．例如，目前已开展多项利用火壤原位制造混凝土的研究：Berggren等[94]提出可以用火壤与硫酸镁黏结剂制备混凝土，这一过程中须要添加的水的质量约为固体物质总质量的60%~70%；Scott等[95]提出了镁基混凝土的原位制备方案，这种混凝土材料与硅酸盐水泥强度相近，且具有不导电、不导热的特性，非常适合火星的极端环境，在混凝土浇筑前须加入水的质量约为固体质量的50%．

4 存在的问题与展望

4.1　对火星水资源分布和储量的精细化研究不足

水一直是国内外火星探测任务关注的重点，虽然当前对火星水资源的赋存状态、整体分布已经有了基本认识，但受制于探测数据的类型、分辨率和覆盖率，目前的研究仍然相对粗略，未能详细刻画水资源在全球的三维分布情况，也难以定量精确可开采利用的火星水资源储量．NASA已注意到这一问题，启动了“火星地下水冰测绘”项目，专注整合不同数据开展地下水冰资源的调查，并尝试绘制南北纬60°内浅层水冰的分布图，目前已取得初步进展[72]．此外，美国、意大利、加拿大等多国联合开展了“国际火星冰层测绘任务(International-Mars Ice Mapper，I-MIM)”，其与SWIM的目的类似，还计划发射搭载有合成孔径雷达的探测器对近地表(5~10 m深)水冰的位置、深度、空间范围及丰度等开展调查[96]．我国也有必要实施针对性的探测任务，开展火星水资源的精细化调查，为开发利用太空资源、满足未来载人火星任务需求提供支撑．

4.2　缺乏对火星水资源开采的系统性规划

火星水资源的开采是一项复杂的系统工程．当前的研究更多专注于水资源开采的具体技术细节，对于开采的可持续性、开采过程中的地质风险、开采后废物的综合利用等都缺乏系统的研究和规划．在水资源开采的可持续方面，由于火星液态水缺乏，可能导致在特定区域水资源被开采的速度远远大于其补充速度，致使开采的可持续性不强．在开采过程中，也可能触发多种地质风险或灾害，如采用Rodriguez Well技术进行地下水冰开采须加热深层水冰，可能导致地面塌陷，影响人员、设备及建筑安全．此外，与火壤有关的水资源开采活动会产生大量废弃火壤，它们经历过加热过程，性质发生了一定的改变，如果能合理处置、利用这些特殊的火壤，将有助于提高火星原位资源利用的效率，降低成本．因此，有必要详细分析火星水资源开采的全过程，综合评估各阶段存在的风险，提出系统性、可持续的水资源开采方案．

4.3　针对具体选址区的水资源开采利用研究有待加强

目前已有的火星水资源开采方案多以火星整体环境或现有火星着陆点地质环境条件为参照，但忽略了火星各区域、各地质单元的环境差异性．不同于已经成功实施的电解大气二氧化碳制氧的原位实验，水资源的原位开采利用更为复杂，特别是可能涉及到火星表面挖掘和钻孔．火星不同区域在岩石类型、火壤物理性质、地形地貌特征、气候环境条件、水冰赋存状况等方面均存在差异，它们直接影响到水资源开采的可行性．例如，在较为坚硬的熔岩流表面通过钻取以获取地下水冰的难度将远远大于在松散火壤上钻进的难度．因此，对水资源开采区的选址须充分考虑不同区域的地质环境条件，同时针对具体的选址区，也应在综合分析各方面条件的基础上，有针对性地设计水资源开采方案，以保障开采的顺利实施．

5 结语

本文围绕火星水资源，全面总结了当前在探测方式、赋存状况、开采技术等方面的研究进展．针对大气中的水蒸气、极区及中纬度地下水冰及含水矿物中的水等不同类型的水资源，分别介绍了目前已有的开采、净化与原位利用方案，提出了潜在的问题，并对未来的研究方向加以展望．尽管目前已有大量关于火星水资源的研究，但毋庸置疑的是，火星水资源原位开采利用是一项极具挑战性的任务，还须要更广泛地讨论与试验．我国在该领域还处于初步探索阶段，未来应当在充分吸收国外研究成果的基础上，针对火星水资源的探测和原位利用开展更为系统的规划和研究，为我国载人火星探测及火星科研站建设任务提供资源保障．