地球上的各種燒汽油、柴油的設備，到了火星上就會面臨燃料短缺的困境。假如真有移民火星的一天，那麼—
也許100年後，人類就將大規模往火星上移民，那個時候在火星上，人類生存所必需的條件——大氣、水源等問題——都已經得到了解決。可是當人類把一些必要的機械設備搬到火星上使用時，還是會遇到很大的麻煩，尤其是那些靠汽油、柴油發動機驅動的設備。因為汽油、柴油都需要從石油中提煉，而火星上根本沒有石油！
你也許會想到利用火星上的太陽能。可是火星軌道離太陽的平均距離是地球到太陽的1.52倍，每平方米接收到的太陽輻射只及地球的43%。能量密度小，也就意味著接收成本高；而且或許到那時，人們還沒有研製出大功率的太陽能蓄電池，因此無法驅動一些大功率的機器。
這可怎麼辦？不用愁！現在科學家告訴你：火星地底下蘊藏著大量的鎂礦，屆時，燃燒金屬鎂就可以驅動這些機械了。在未來，火星上奔跑的汽車“油箱”裡，裝的不是汽油，而很可能是滿箱的鎂粉呢！
金屬燃料優點多多
用燃燒金屬來驅動發動機，這豈不荒唐？其實一點都不荒唐。
我們知道，汽油發動機是靠燃燒汽油產生的熱能來發動的。或許你已經在中學化學裡學過，一些金屬，比如說鎂、鐵，在純氧中燃燒也會釋放出大量熱能，那麼為什麼不可以利用這些熱能來驅動呢？其實，原則上任何能在氧氣中燃燒的金屬或者非金屬，都可以用作發動機的燃料。
金屬作為燃料，有著石油、煤等化石燃料無法企及的優點。我們現在把全球氣候變暖歸罪於燃燒化石燃料產生的二氧化碳，而金屬燃燒卻不會產生二氧化碳和其他一些汙染物，而且就從燃燒單位體積的物質所釋放出的熱量來說，大多數金屬都要比汽油、柴油高。例如，裝滿同體積鐵粉燃料的汽車比使用汽油的汽車能多跑1倍以上的路程。
更妙的是，金屬燃燒的氧化產物還可以循環利用。把燃燒產物收集起來，在高溫下通氫氣，就能還原回金屬。如果你嫌氫氣的成本太高，那就不妨用工廠裡煤不充分燃燒產生的一氧化碳來還原。因此，金屬燃料不像化石燃料那樣越用越少，價格也相對穩定。
金屬燃燒還有一個特點，就是燃燒非常劇烈。你也許已經在課堂上親眼目睹過鎂條在氧氣裡的燃燒。燃燒的鎂條閃著耀眼的光，大量的熱瞬間就被釋放出來。而汽油、柴油的燃燒則要緩慢得多。火箭在升空時，需要瞬間獲得巨大的推力，所以現在的火箭助推器，大多使用鋁粉做燃料添加劑。研究表明,向火箭固體燃料中加入0.5%的鋁粉或鎳粉,可使燃燒速度加快數十倍。你瞧，金屬燃料不單是紙面上的設想，而是有了實際的用途。
納米顆粒幫大忙
不過金屬燃料用作火箭上的助燃劑，與用作汽車發動機的燃料相比，還是有很大的不同。
首先，火箭自身有固態氫燃料，當它在純氧中燃燒時，產生的高溫直接可以點燃金屬。而作為發動機的金屬燃料，卻沒有助燃劑。當金屬顆粒比如鐵和鋁與空氣接觸時,它們的表面會生成一層氧化物保護膜,阻止其進一步氧化，只有將膜除去才可能點燃金屬。這需要溫度高於2000℃（一般汽油燃燒的溫度在900℃~1500℃）,使氧化層汽化，從而暴露出金屬原子。這個要求對於火箭雖然容易實現,但對汽車發動機而言就成了一個難題，因為在這種溫度下，發動機自身也熔化了。
這個問題看似困難，其實不難解決。科學家在實驗中發現，當把鐵製成50納米大小的顆粒時，把它們加熱到250℃，只要一個火花，就可以點燃。
納米顆粒之所以容易燃燒，是因為同等質量的條件下，它們與空氣接觸的表面積要比一個金屬團塊大得多。鐵很容易和氧發生反應釋放出熱，如果很多納米鐵顆粒同時暴露在空氣中，氧化產生足夠的熱就可以自發地引燃鐵。一旦納米鐵顆粒被點燃，它們燃燒得就十分迅速，溫度最高可達800℃，這樣的熱度足以用來驅動，而又不會熔化合金製成的發動機。
原先，金屬做發動機燃料還會遇到另一個問題，即燃燒產生的金屬氧化物灰燼在高溫下汽化，等冷卻後就會堵塞在活塞、汽缸壁和閥門上，使發動機“死機”。
這個難題也隨著納米金屬顆粒的採用而自動解決了。因為納米金屬燃燒最高溫度不超過1000℃，在這個溫度下，金屬氧化物以固態的形式存在，只要每次燃燒完，及時清理灰燼，就不會堵塞引擎。
但使用納米金屬顆粒做燃料，也帶來一個新的問題，即納米顆粒燃燒很快,在大概1毫秒中就釋放了全部熱量。要用作發動機的燃料,這麼快的發熱速度使熱量無法被高效利用。在常規的內燃機中,每次燃燒需要時間能夠持續5~20毫秒。
為了限制燃燒速度,科學家把幾個、幾十個納米顆粒壓縮成更大的團,以減少它們跟氧氣的接觸面積。通過調節這些納米顆粒團的大小、形狀和密度，他們可以控制金屬的燃燒速度。單一的納米粒子會在數毫秒內燃燒，而較大的納米顆粒團卻可以在500毫秒至2秒內燃燒，這就保證了發動機的機械部分有充足的響應時間。
到火星上去！
不過，金屬燃料也有其自身的缺點。最明顯的就是重量問題。一個行駛距離等效於50升油箱的鐵燃料箱重約100千克（油箱自身重量除外）,比普通油箱重兩倍多。並且由於金屬燃料燃燒後，廢物不排放到空氣中,在整個行駛過程中車重都不會減輕,這就增加了運輸的成本。所以有人認為，單太重這一項，就可能讓金屬燃料喪失了實用性。
不過金屬燃料的研究者們可不這麼認為。他們把金屬燃料跟目前普遍看好的氫燃料做了一個比較。
的確，要說清潔、綠色的驅動燃料，可能是非氫莫屬。畢竟，每克氫所提供的能量是鐵的12倍以上。但為了貯存氫燃料，需要龐大的冷凍設備，而且不夠安全。而金屬燃料在室溫條件下相當穩定，所以很容易儲存和運輸。
以氫做燃料的車輛還可能面臨著一個更為嚴重的問題。由氫燃料燃燒產生的水，通常被認為可以直接排放到大氣中。但一些環境科學家認為：如果成百萬的以氫為動力的汽車都向大氣中釋放大量水蒸氣的話，就會加速全球變暖。而採用金屬燃料卻可以避免這一問題。
此外，在減輕重量方面,金屬燃料也有可提升的空間。如果使用鋁來替代鐵的話,同樣重量的燃料可以得到4倍的能量,如果使用硼,可以得到6倍的能量。雖然這兩種材料都比鐵昂貴,但從另一個角度來考慮,由於金屬燃料不會被消耗,可以循環使用,真正的使用成本在於將金屬氧化物還原為燃料的過程,而不在於燃料本身。
這就是說，只要一次性買了金屬燃料，在理想的情況下（即氧化物100%回收），你所需要交付的使用成本，只是將金屬氧化物還原為燃料的成本，而這個成本對於鐵還是鋁、硼都相差不大。
當然，現在更大的問題是，納米金屬顆粒的生產遠未實現大規模工業化，本身成本高昂。實現工業化生產之後成本會最低降到多少，現在還未可知。不過科學家依然樂觀地認為，即使在地球上使用金屬燃料不合算，也可以在火星上尋找出路，因為火星上蘊藏著豐富的鎂礦。如果真能實現，那麼未來火星上的加“油”站提供的就不是汽油，而是一罐罐納米鎂粉了。
閱讀更多 大科技雜誌社 的文章
