想象未来宇航员返航火星时燃料不足的困境—这正是本文研究的起点。Sabatier反应可将火星大气中的CO₂与地表水提取的H₂合成甲烷，但火星极端环境对技术落地提出挑战。本文旨在分析电热与光热Sabatier反应两种技术路径的可行性，探讨其核心瓶颈与创新解决方案，为人类迈向星际文明提供燃料保障。

导读

随着火星探索成为太空任务的核心目标，燃料自给成为关键难题。液态甲烷因稳定性高、易存储等优势被视作理想燃料，而Sabatier反应正是制造这种“火星燃料”的核心技术。本文将带您解密两种前沿方案：电热法如同“电磁炉”精准控温却耗能大，光热法好比“太阳能灶”高效环保却怕沙尘暴。通过对比它们的优劣，我们正在绘制人类探索红色星球的能源蓝图。

图1 火星电热化及光热化Sabatier反应系统示意图

Sabatier反应是火星燃料合成的核心技术，其关键在于充分利用火星环境中的二氧化碳和地表水资源，通过电解制氢并与CO₂反应合成甲烷（CH₄）。然而，火星的极端低温、低气压及能源供应限制对该反应提出了工程挑战，需要通过优化热管理和能源供给维持稳定运行。

一、电热化Sabatier反应

电热Sabatier反应利用电磁感应加热反应器，通过高频磁场使金属催化剂产热，从而实现150-350℃的控温需求。如超材料反应器，其热效率接近100%，但需采用碳化硅涂层防辐射，并结合气凝胶隔热以减少能量损耗。然而，催化剂的活性仍是瓶颈，尽管钌（Ru）和铑（Rh）催化剂活性高，但火星资源稀缺，而镍基（Ni基）催化剂虽储量丰富且具磁性，但其产率偏低，亟需优化。

二、光热化Sabatier反应

光热Sabatier反应利用太阳能驱动，如光热催化剂通过光吸收太阳光并激发局域表面等离子体共振，以热电子驱动反应，无需额外加热。相比电热法，其甲烷产率显著提高。然而，该方法依赖太阳光照，在火星夜间或沙尘暴期间运行受限，因此需结合真空管反应器储存白天余热，或利用机械除尘、核能备用及地热补充能源，以确保持续反应。

三、未来火星Sabatier反应系统发展趋势

为提高火星燃料合成的效率，能源系统与催化剂的协同优化至关重要。电热法依赖电力，需高效储能或核能支持，而光热法则要求太阳能与储能的合理匹配，未来可构建多能源互补系统。催化剂优化仍是核心挑战，Ni基催化剂需提升活性和稳定性，而贵金属催化剂需进一步评估火星资源（目前尚未探明）。在反应器设计方面，需兼顾隔热、抗辐射和自清洁功能，例如美国航空航天局（NASA）“毅力号”采用气凝胶隔热技术，未来可在火星就地制造优化的反应系统。通过能源整合、催化剂优化与工程设计的协同发展，Sabatier反应可为火星探索提供高效、可持续的推进剂供应方案。

总结与展望

Sabatier反应是火星燃料生产的基石，电热与光热技术各有优劣：电热法稳定性高但耗能大，光热法高效却依赖光照。未来需兼顾两者优势，开发混合系统，并力图在以下方向实现突破：

（1）催化剂革新：开发火星原位资源可获取的高效催化剂；

（2）能源系统整合：构建“太阳能+核能+储能”多元供能网络；

（3）智能化运维：利用AI优化反应参数，机器人实现设备维护与除尘；

（4）规模化生产：通过模块化反应器堆叠，提升甲烷日产量至百吨级。

唯有持续攻克能源、材料与工程瓶颈，人类方能在火星建立可持续燃料供应链，开启星际文明新纪元。

责任编辑

王玉莹中国空间技术研究院

李晓曦华东交通大学

原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2025.100086

本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Energy 第2卷第2期发表的Commentary文章“Making fuels on mars by sabatier reaction” (投稿: 2025-01-06；接收: 2025-03-24；在线刊出:2025-04-04)。

DOI：10.59717/j.xinn-energy.2025.100086

引用格式：Yang Z., Jiang B., Wang P., et al. (2025). Making fuels on mars by sabatier reaction. The Innovation Energy 2: 100086.

作者简介

蒋博 大连理工大学副教授，博士生导师。主要研究方向包括氢能技术、太阳能热利用技术、多物理场耦合传递。在Nature Communications、Nano Energy、Small等期刊发表SCI论文70余篇，ESI高被引论文5篇、ESI热点论文2篇、封面论文4篇，实用新型专利2项；论文总被引次数4500余次；主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、大连市优青等16个项目，担任Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等SCI期刊审稿人。

李沐 大连理工大学教授，博士生导师。主要从事材料热物性等相关研究工作，在固体材料热物性评价、热输运性质表征、热物性测量设备的设计与开发等多个科研领域拥有丰富的实践经验和长期的学术积累。近五年，主持国家自然科学基金、日本学术振兴会青年基金等国家级项目3项，参与日本国家级，省部级项目6项。担任日本国家计量标准中心热扩散率校正负责人，开发热物性相关国际标准1项。

马佳萱 大连理工大学讲师，硕士生导师。主要研究方向是基于微尺度流动沸腾，在微纳尺度两相传热、高热流密度电子元器件散热等科研领域，积累了大量的微尺度流动沸腾换热相关的理论基础和学术积累。在近五年，现主持国家自然科学基金青年项目、辽宁省自然科学基金项目等2项。参与美国国家科学基金会（NSF）和海军研究会（ONR）支持相关的项目2项，参与国防基础加强重点项目、JW科技委等项目3项。

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