大肠杆菌只会让你闹肚子？不，它很有用，带上火星能制造火箭燃料

　　移民火星之路，人类已经走完前半段。
　　我国天问一号探测器自2021年5月成功登陆火星以来，一直在勘察火星环境。为下一步驻扎火星，积攒实测数据和资料。
　　穿越头顶繁星，人类的目光没有尽头。火星，只是人类移居太空的第一站。
　　虽然现代航天研究已经掌握了登陆火星的技术，但是还没有解决从火星上返航的难题。其中关键的一点，是火星上缺乏把火箭送进太空的燃料。
　　现在我们使用的主力火箭燃料，通常是液态燃料。我国新一代运载火箭，比如长征五号和长征七号，用的就是液氢和液氧的低温推进剂。但是液氢密度低，燃料占用的存储体积太大，下一步液体燃料的设想是：用液态甲烷代替液氢。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，把载人飞行器从火星表面发射到低火星轨道，需要30吨的甲烷和液氧。直接从地球上运输这批燃料到火星，需要约80亿美元的运费。如果不从地球上运输燃料，能够就地取材，在火星上制造返程燃料的话，那就解决了殖民火星路上的一个大麻烦。
　　NASA提出的就地制造燃料方案，是用二氧化碳制造氧气。火星大气层里95的成分是二氧化碳，使用化学催化法，把火星大气里的二氧化碳转化为氧气。不过甲烷问题没法解决，依然需要从地球上运输甲烷到火星。
　　2021年10月，佐治亚理工学院提出一个新思路，在火星上制造生物燃料，代替甲烷，给火箭提供助推剂。
　　生物燃料
　　生物燃料的生产过程很简单，原料是火星上的原始资源：二氧化碳，阳光和冰。制造燃料的生产商来自地球，也很简单，只有2样，一种是蓝藻，另一种是工程大肠杆菌。
　　通过光合作用，蓝藻吸收二氧化碳，生产氧气和葡萄糖。通过新陈代谢，大肠杆菌分解葡萄糖，生产2，3丁二醇。丁二醇就是推动火箭发射的生物燃料。
　　这套制造生物燃料的方法，叫做：就地利用资源生物制造策略（bioISRU）。它的效率比就地利用资源的化学制造方法更有优势。
　　来看火星上制造生物燃料的原料和生产条件。
　　蓝藻
　　蓝藻是古老的原核生物，是地球上最早出现的能够进行光合作用，制造氧气的生物。
　　在蓝藻出现之前，地球大气层里并没有的氧气。蓝藻凭一己之力，重新改造地球生态环境，创建适合当今生物生活的地球大气。
　　能够改造地球的蓝藻，是改造火星的首选生物原料。大肠杆菌
　　大肠杆菌是简单的原核生物。
　　普通人对大肠杆菌的印象，大多是它会污染我们的食物水源，让人闹肚子。让人反感的大肠杆菌，却是生物实验室里的明星代表。
　　由于生长快，对氧气和温度的要求低，大肠杆菌很容易培养。另外它的基因简单，容易接纳外来基因。在生物技术中，大肠杆菌是用得最多的工程菌种。
　　使用广泛，容易培养的大肠杆菌，入选火星生物燃料的原料名单。
　　火星条件
　　生物原料有了，还要配置适应的生产环境。火星跟地球的条件不同，在火星上制造生物燃料，主要挑战有2点，温度和辐射。温度
　　跟地球相比，火星非常冷。火星表面的平均温度为55C，而地球表面为15C。2种微生物生长的最佳温度：蓝藻为35C，大肠杆菌为37C。虽然55C的温度不会把蓝藻和大肠杆菌冻死，但是它们会停止生长。
　　团队考虑制造类似温室的反应器，反应器能够吸收太阳辐射，为生物原料提供必需的温度。辐射
　　火星大气层非常薄，厚度只有地球大气层的1。透过大气层照射到火星陆地的紫外线非常强。
　　蓝藻生活的温室反应器，除了提高温度外，还要有抵抗强烈紫外线的作用，保护适应地球环境的蓝藻不被紫外线杀死。
　　解决了蓝藻和大肠杆菌生活的环境问题后，团队设计出一套火星生物燃料制造装置（见上图），其中包括4块足球场大的光生物反应器。蓝藻在反应器中生长，如果提高蓝藻的生长速度，还能进一步减小反应器的尺寸。
　　跟之前NASA提出的化学制造法相比（火星上化学催化二氧化碳制造氧气，然后从地球上运输甲烷到火星）。生物燃料策略能节约32的制造能源，生产出2。8倍的燃料，另外，还能产生20吨多余的氧气。
　　生物燃料的优势
　　作为火星新燃料的2，3丁二醇，是地球上很常见的化学原料，广泛用于化工、食品和医药中。可以合成橡胶，制备油墨、香水、软化剂。但是，使用2，3丁二醇作为火箭燃料，却是一招创新设想。
　　火星资源贫瘠，二氧化碳是少量可用资源之一。地球上的藻类、植物这些生物，正是利用二氧化碳的高手。用生物燃料代替化学燃料，妥妥地适用于火星。
　　利用有限资源，消耗最少能源，生产所需产品，这也正是生物的特长。
　　我们的征途是星辰大海，期待早日移居火星。
　　参考资料：
　　1、DesigningthebioproductionofMartianrocketpropellantviaabiotechnologyenabledinsituresourceutilizationstrategy，NatureCommunications（2021）
　　2、RegulationoffunctionalgroupsongraphenequantumdotsdirectsselectiveCO2toCH4conversion，NatureCommunications（2021）