Khai phá địa học là quá trình giả định biến đổi khí quyển, nhiệt độ, địa hình và hệ sinh thái của một hành tinh, vệ tinh tự nhiên hoặc thiên thể khác để giống với môi trường có thể sống được như trên Trái Đất.
Mặc dù Elon Musk mong muốn di cư lên Sao Hỏa và biến con người thành loài nhiều hành tinh, nhưng ông cũng phải thừa nhận rằng Sao Hỏa có môi trường khắc nghiệt hơn hàng nghìn lần so với những nơi khắc nghiệt nhất trên Trái Đất.
Do đó, cả Musk và NASA đều tin rằng trước khi di cư đến Sao Hỏa, trước hết họ phải biến đổi Sao Hỏa, và quá trình này còn được gọi là khai phá địa học Sao Hỏa.

Là một hành tinh chỉ cách Trái Đất 55 triệu km ở điểm gần nhất, và khi ở khoảng cách này, chúng ta chỉ mất nửa năm để đến Sao Hỏa từ Trái Đất với công nghệ hiện tại. Hơn nữa, con người đã gửi lên hành tinh đỏ một số xe tự hành trên bề mặt, và có cũng có một số vệ tinh nhân tạo trong quỹ đạo của Sao Hỏa. Do đó, việc liên lạc giữa Sao Hỏa và Trái Đất cũng không có gì quá khó khăn.
Trong trường hợp này, bước đầu tiên trong quá trình biến đổi Sao Hỏa là khôi phục khí quyển của nó về mức như hàng tỷ năm trước và tái tạo các hồ, đại dương và sông trên bề mặt Sao Hỏa.
Vào cách đây 4 tỷ năm, khi từ trường của Sao Hỏa còn rất mạnh, bầu khí quyển của Sao Hỏa dày hơn nhiều so với hiện tại và hành tinh này có đại dương trên toàn bộ bề mặt. Khi đó Sao Hỏa được coi là hành tinh có thể sống được trong Hệ Mặt Trời, nhưng sau khi từ trường Sao Hỏa biến mất, gió Mặt Trời đã 'cướp đi' khí quyển và hơi nước của đại dương. Hiện nay, bầu khí quyển của Sao Hỏa chỉ bằng một phần trăm so với Trái Đất.

Mặc dù gió Mặt Trời đã lấy đi nhiều nước của Sao Hỏa trong hàng tỷ năm, nhưng vẫn còn nhiều nước bị đóng băng ở các vùng cực. Khi các đám băng này tan chảy, nước lỏng sẽ được giải phóng trong một khoảng thời gian ngắn, làm cho bề mặt Sao Hỏa một lần nữa được bao phủ bởi nước lỏng. Elon Musk đã đề xuất đánh bom các vùng cực của Sao Hỏa bằng bom hạt nhân để tạo điều kiện giống Trái Đất.

NASA cho rằng việc đánh bom hạt nhân là không khả thi về mặt chi phí vận chuyển. Thay vào đó, họ đề xuất triển khai một tấm phản xạ lớn gần quỹ đạo Sao Hỏa và sử dụng ánh sáng Mặt Trời để chiếu sáng các vùng cực, giúp tan chảy các đám băng nhanh hơn.
Thiết bị phản xạ Mặt Trời lớn này cũng có thể giúp nhiệt độ Mặt Trời ảnh hưởng đến khí quyển Sao Hỏa, giúp điều tiết khí hậu.

Tuy nhiên, khi xem xét về vấn đề kinh phí, cả NASA và Elon Musk đều đồng ý rằng địa khai hóa Sao Hỏa nên được thực hiện theo từng giai đoạn. Đầu tiên, một phần của Sao Hỏa sẽ được địa khai hóa trước, có nghĩa là các vùng có băng sẽ tan chảy và căn cứ con người sẽ được thành lập gần đó. Sau này, căn cứ sẽ mở rộng dần và hoàn thành quá trình biến đổi toàn diện của Sao Hỏa.
Ước tính cẩn thận cho rằng cần ít nhất 1.000 năm liên tục để biến đổi Sao Hỏa từ một hành tinh đỏ thành một hành tinh có thể sinh sống, sau đó nền văn minh nhân loại sẽ mở rộng vào vũ trụ theo quy luật cấp số nhân.
Câu hỏi duy nhất bây giờ là khi Sao Hỏa trải qua quá trình biến đổi quy mô lớn trong tương lai, liệu có ai trên Trái đất sẵn sàng định cư trên Sao Hỏa cả đời, thậm chí sinh con nuôi cái trên Sao Hỏa để trở thành người dân Sao Hỏa thực sự hay không?

Là hành tinh gần nhất và dễ tiếp cận nhất trong Hệ Mặt Trời, Sao Hỏa với sự tiến bộ của công nghệ vũ trụ trong tương lai, chắc chắn sẽ được đưa vào chương trình nghiên cứu. Cuối cùng, nền văn minh nhân loại sẽ mở rộng ra ngoài vũ trụ như một loài đa hành tinh.