制造金属的能力是任何科技文明的基础。火星提供丰富的资源来支持它们的生产。事实上，在这方面，火星比地球要丰富得多。

钢

到目前为止，火星上最容易获得的工业金属是铁。地球上使用的铁的主要盈利矿石是赤铁矿。这种材料在火星上无处不在，以至于红色星球的颜色是由它提供的，因此也间接地创造了它的名字。正如《旧约》和《荷马史诗》中提到的那样，将赤铁矿还原成纯铁是很简单的，在地球上已经有了大约三千年的实践。至少有两种候选工艺适合在火星上使用。第一个，正如本章前面所讨论的，使用由基地的RWGS反应器生产的废一氧化碳反应，如下所示:

另一种使用电解水产生的氢气。

反应（1）是轻微放热，反应（2）是轻微吸热 ，因此在将反应器加热到启动条件后，都不需要太多的动力来运行。在反应（2）的情况下，所需的氢气可以通过电解水的废料获得，因此系统的唯一净输入是赤铁矿。碳、锰、磷和硅是钢的四个主要合金元素，在火星上很常见。其他合金元素，如铬、镍和钒，也大量存在。因此，一旦铁被生产出来，它可以很容易适量地与这些其他元素形成合金，以生产出实际所需的任何类型的碳钢或不锈钢。

在火星基地广泛存在一氧化碳是因为它是RWGS反应堆产生的废料，这为火星上的新型低温金属铸造技术开辟了一些有趣的可能性。例如，一氧化碳可以在110℃下与铁结合，产生羰基铁，它在室温下是一种液体。羰基铁可以被倒入一个模具中，然后加热到200℃左右，这时它将分解。纯铁非常坚固，将被留在模具中，而一氧化碳将被释放，以便它再次使用。你也可以通过分解羰基蒸汽将铁沉积分层，从而制造出所需的任何复杂形状的空心物体。一氧化碳和镍之间也可以形成类似的羰基。铬，锇，铱，钌，铼，钴和钨,这些碳化物中的每一种都在略有不同的条件下分解，使金属羰基化合物的混合物可以通过连续分解分离成纯的成分，一次一种金属。

铝

在地球上，继钢铁之后，第二种最重要的通用金属是铝。铝在火星上相当普遍，约占占火星表面物质重量的4%。不幸的是，和地球上一样，火星上的铝通常只以其非常坚硬的氧化物-氧化铝的形式存在。为了从地球上的氧化铝中生产铝，氧化铝被溶解在1000°C的熔融冰晶石中，然后用碳电极进行电解，在这个过程中，碳电极被消耗掉，而冰晶石则不会受到伤害。在火星上，所需的碳电极可以通过热解基地的萨巴蒂尔反应器中产生的甲烷来生产，如第六章所述。这个过程可以这样写:

除了其复杂性之外，采用反应（3）生产铝的主要问题是它非常吸热。需要大约20千瓦时的电力来生产一公斤的铝。这就是为什么地球上的铝生产厂都位于电力非常便宜的地区，如西北太平洋地区。在火星的基地建设阶段，电力并不便宜。在20千瓦时/公斤的情况下，一个100千瓦的核反应堆一天只能生产大约123公斤的铝。因此，钢将是高强度结构的主要材料，而不是铝，尽管由于重量较低，钢在火星上的重量将与地球上的铝差不多。铝将被节省用作特殊用途，如电线或飞行系统部件，因为它的高导电性和/或轻重量使它的使用受到了重视。

硅

在现代，硅可能已经成为继钢和铝之后第三重要的金属，因为它是所有电子产品制造的核心，且它在火星上更加重要，因为通过制造硅，我们能够生产光伏板，从而不断地增加基地的电力供应。制造金属硅的原料，二氧化硅几乎占火星地壳重量的45%。为了制造硅，你需要将二氧化硅与碳混合，并在电炉中加热它们。由此产生的反应是:

我们再次看到，所需的还原元素碳，是火星基地推进剂生产系统的副产品。反应(4)是高度吸热的，尽管远不如氧化铝还原反应(6)，而且还原硅所涉及的能量负担远不能与之相比，因为需要的量往往少得多。

在某些情况下，反应（4）的硅产品是很好的、够用的。例如，你可以用它来制造碳化硅，一种强耐热材料（它被用于保护航天飞机免受重返大气层的热量影响）。然而，很明显，反应器原料中存在的赤铁矿杂质也将被还原，导致硅产品中出现铁杂质。那么，为了生产足以用于计算机芯片和太阳能电池板的超纯硅，还需要另一个步骤。这可以通过将产生的不纯硅产品浸泡在热氢气中来实现，使硅变成硅烷。在室温或以上，硅烷是一种气体，因此它可以很容易地与其他固态金属的氢化物分离，然后，如果你想要完全纯净的硅，你所要做的就是把硅烷输送到另一个反应器，在高温下分解它，从而产生纯净的硅，并释放出氢气来制造更多的硅烷。然后硅可以被掺入磷或其他选定的杂质，以生产出你所需要的那种半导体器件。

另外，除了分解硅烷，你可以通过冷冻到-112°C液化它。这只比普通的火星夜间温度低大约20℃，所以很容易实现。所得的液体可以长期储存在隔热罐中，而不会有任何问题。为什么要储存液态硅烷？因为硅烷会在二氧化碳中燃烧。到目前为止，几乎所有我们讨论过的火星推进剂组合，如甲烷和氧气，都要求使用它们的飞行器在其油箱中同时携带燃料和氧化剂。我们在地球上不是这样做的。在地球上，无论是在你的汽车中燃烧汽油还是在你的壁炉中燃烧木材，你所做的只是提供燃料，氧化剂是来自空气中的氧气。由于氧化剂一般占反应混合物的75%，后一种方法显然是一种更有效的方法。火星大气中的游离氧很少；几乎全是二氧化碳。没有多少东西会在二氧化碳中燃烧，但硅烷会，根据以下反应式：

在反应（5）中，推进剂质量的73%是二氧化碳;只有27%是硅烷。一些产品是固体，所以不能在内燃机中使用这个系统。但可以用它来点燃蒸汽机的锅炉，也可以把它用于冲压式喷气发动机或火箭推进器。按照反应（8）燃烧，一个硅烷/二氧化碳火箭发动机可以产生大约280秒的比冲力。

从表面上看，这并不那么令人印象深刻，直到你意识到，也就是说，考虑一个小型火箭跳跃飞行器，只需要携带27%的推进剂，反复起飞和降落，遥控机器人把货物运送到一系列选定的目标地点，这些目标地点被不可逾越的地形隔开，它不需要携带所有的推进剂。相反，它可以在每次降落时通过运行一个泵来补充二氧化碳。其结果是，该系统的有效比冲不是280秒，而是280秒乘以总推进剂与硅烷的比率，即3.75，结果是有效比冲为1050秒，这在化学火箭学中闻所未闻。

乙硼烷，也会在二氧化碳中燃烧。在三份二氧化碳与一份乙硼烷的混合比例下，其比冲力为300秒。因此一个二硼烷/二氧化碳火箭的料斗可以有1,200秒的有效比冲，甚至比硅烷/二氧化碳更好。然而，硼在火星上很罕见，而硅则随处可见，生产乙硼烷的过程相当复杂。因此，虽然在计划的早期可以向火星进口少量的乙硼烷，以实现高性能的料斗应用（例如，使用乙硼烷/二氧化碳系统可能是执行机器人火星样本返回任务的最佳方式），但一旦有了能够生产硅烷的基地，这种当地可用的产品会几乎取代乙硼烷。

另外，人们经常提议在月球上制造硅，来支持在那里生产大量的太阳能电池板。这个想法有严重的缺陷。是的，二氧化硅在月球上确实很常见，但把它转化成金属硅所必需的碳和氢却不存在。虽然在上述过程中，这些试剂被循环利用，但在现实中，这种循环总是不完美的。如果想在月球上生产金属硅，或任何其他金属，最终将不得不进口大量的碳和氢。相比之下，在火星上这两种元素都可以在当地获得。

铜

让我们来看看铜，这个作为在火星基地生产的一种主要工业金属的最后一个例子。在月球上没有的铜，在SNC陨石中检测到的浓度与地球土壤中的浓度差不多。这是很低的，大约为百万分之五十。如果想获得有用数量的铜，你不会从土壤中提取。相反，你必须找到自然界铜矿石集中的地方。从利润角度上看，地球上最重要的铜矿石来源是铜硫化物。正如我们所看到的，火星上的硫比地球上的要普遍得多，火星上的铜矿床很可能是以形成于熔岩流底部硫化铜矿床的形式存在的，因此一旦发现，铜矿可以很容易地通过冶炼或浸出还原，就像地球上自古以来的做法一样。铜的例子说明了这样一个事实：一般来说，获取地球化学稀有元素的唯一途径是在当地开采高级别的矿床。然而，只有在发生了复杂的水文和火山变化，才能将这些元素集中到当地的矿床中，你才能找到矿石。而且，在我们的太阳系中，只有地球和火星经历过这样的过程。

因为这些过程已经发生在火星上，我们应该能够找到建造现代文明所必需的几乎每一种金属的浓缩矿石，无论是稀有的还是普通的。

本节为连载7，下一节继续

（编译; 范如嫣/顾贝特）

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