火星探險：人類若想在火星長期生存，需要操心的遠不止這些

歡迎關注「探秘宇宙」專欄！

在美國宇航局（NASA）的官網上，頁面頂部導航的第二欄是「Journey to Mars」（火星之旅），內有大量不斷更新的信息介紹NASA的火星計劃。有這樣一段文字，作為它們的簡要介紹，翻譯如下：「在幾十年無人航天器探索的基礎上，我們正努力在21世紀30年代將人類送上火星。首先，太空發射系統（SpaceLaunch System）和獵戶座計劃（Orion）將把宇航員帶入深空的試驗場，其中包括持續一年的任務。我們也在進行無人航天器火星採樣任務，並測試登陸技術和在紅色星球上生存的技術。」

不僅NASA想把人類送上火星，美國太空探索技術公司（SpaceX）創始人埃隆·馬斯克（ElonMusk）去年也為自己的火星探索發布了更明確的時間表，該公司稱計劃於2024年發射載人航天器，可能在2025年抵達火星。

火星，是地球的近鄰，曾被認為最有可能存在過外星生命。這顆神秘的紅色星球，一直都是好萊塢電影的熱門主題之一。2015年，電影《火星救援》（英文名The Martian）講述了一個有趣的故事：人類實現了火星登陸，美國宇航員馬克·沃特尼（馬特·達蒙飾）與其他五位宇航員遭遇巨型風暴，火星之旅只能提前結束，而馬克被誤認為無法生還被留在火星，這位植物學家靠著種土豆等一系列艱難實踐，勉強維持生存等待救援。

影片拍得很幽默，很大程度上減輕了那位孤單的宇航員面臨各種生存挑戰的壓抑感，種土豆還一度成為網友熱議的話題。實際上，人類駛向火星的飛船一旦啟程，怎樣維持生命並長期生存下去的難度，絕對不亞於航行和登陸會遇到的問題。今天我們來簡單聊聊在火星上生存需要操心的事兒——如果埃隆·馬斯克的計劃成功的話，就會發生在8年之後，而NASA的計劃，也不過排到13年後。

火星的表面重力約為地球的38%，其大氣成分主要是二氧化碳，既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，時常會有塵暴發生，嚴重時沙塵暴會持續數月，遮天蔽日。火星上還有大量的火山和峽谷，在一個與地球情況完全不同的星球上生存，會遇到哪些最基本的問題呢？

一．如何在火星上安全著陸？

當飛往火星的火箭點火後，一段探險之旅就揭開了序幕。根據目前的技術來計算，從地球飛往火星，最快大概需要260天。在260天即將結束時，第一個挑戰來了：怎樣在火星上安全著陸？

去年，歐洲航天局的無人航天器就遭遇了這個挑戰，不幸的是，這個名叫斯基亞帕雷利外火星登陸器的傢伙在火星表面失事了，該示範登陸器的任務，本身就是為了驗證在火星表面登陸大型有效載荷的方法。可見，以目前的技術想實現安全著陸還是有風險的。

圖片：斯基亞帕雷利外火星登陸器的模擬圖

早在2007年，科學家已考慮了至少4種火星著陸的方案。第一種方案是基於月球著陸器的移動登陸系統。它可以同時提供在紅色星球上的著陸和起飛。第二種方案是空中吊車著陸系統，好奇號火星車（Curiosity rover）就是採用這種方式在火星成功著陸的。第三種方案是氣囊著陸系統，這個系統在利用熱防護結構和降落傘減速後，依靠反推火箭和氣囊緩衝裝置幫助飛行器安全著陸。不過，這種著陸方式對宇航員來說並不是最佳的選擇。第四種方案，科學家考慮的是觸地感測（Touchdown Sensing），通過儀器感知地表和著陸點，然後做出相應的反應。

圖片：NASA製作的空中吊車系統著陸好奇號火星車模擬圖。

10年後的今天，對於載人飛行任務如何在火星安全著陸的問題，科學家們又有了新的思考。NASA的科學探索助理主任Richard (Rick) McGuire Davis做了一些簡單介紹：「著陸器必須深深地潛入火星的大氣中，並且比我們曾經做到的更進一步靠近地表，因為在接近地表處的大氣是最厚的。」「由於著陸器非常重，曾經的很多技術都將不再起作用，例如安全氣囊、空中吊車和降落傘。事實上，為了減速，我們將極大地依賴於噴氣。」

那麼，載人飛行任務的整個機組大概會有多重呢？——它所要求的超音速反向推進技術（supersonicretro-propulsion technology）需要能夠將「預計20公噸」的航天器運送到火星表面。作為比較，好奇號火星車只有1公噸。

二．在火星上「造房子」

衣食住行，人之必需。要想在火星上長期生存，必須有合適的住所。有人可能會打趣，這是要發展火星上的房地產事業啊！不過在火星上建房子和地球相比完全是兩碼事。

圖片：登陸火星設計圖

2016年，就有6家公司開始設計人類在火星生存可能需要的棲息地的原型，這項設計原型預計在2年內完成。

圖片：2015年度生境挑戰設計大賽獲獎作品，火星冰屋。 來自：NASA

所有的設計原型都會有一些共同之處，例如，這些棲息地必須能夠自我維持，它得是完全封閉的，與外部稀薄的火星大氣隔絕，還有非常重要的一點，在沒有來自地球補給的情況下，也能夠長時間維持生命。

在這個方面，國際空間站可以提供一些借鑒。例如，環境控制和生命保障系統（ECLSS）、電力系統、對介面、氣閘室，等等。並且，由於從地球去火星是一次長途旅行，一切設備都得考慮適應這種長途旅行的條件。

在實現「活下來」的基本問題之上，還有一個重要的問題，那就是，對於每一個宇航員來說，給他們多大的活動空間才是比較合適的？——你能想像在長達數月的時間內，每天待在同一個地方，面對著同樣的牆壁嗎？在心理學上，有一個專業的辭彙，描述的是這種情況可能帶來的疾病：幽閉恐懼症。

在太空梭內，執行7-15天的飛行任務時，每個機組人員沒有太多空間還是可以接受的。但在國際空間站內，宇航員一般需要在裡面工作生活較長時間，一般是半年，甚至更久，此時，研究發現，他們顯然需要更多的空間。基於這種邏輯，火星上的居住基地應該需要比較大的建築面積。

三．最初的探索

由於各種條件的限制，最初飛往火星的旅程僅僅會包含生存必需品。NASA為他們的宇航員確定的首要目標，是學會在火星上生存。最早的基地應該只會包括一個棲息地和一個實驗室。其內部結構可能會比較像國際空間站，不過也會有所不同。

圖片：火星軌道探測器上的相機拍攝的從火星看地球和月亮。 來自：NASA

火星的土壤灰塵都含有毒物質，因此，防止有毒灰塵進入棲息地和實驗室非常重要。棲息地內的微生物生命則是對宇航員的另一個潛在威脅。並且，由於人類從未親臨火星，還有很多潛在威脅都是未知的。

科學家們還需要考慮食物和藥品的儲藏問題。在基地逐步完善，宇航員已經能夠掌握生存技能的基礎上，或許就要考慮在火星上耕種作物、生產藥品的問題。因為地球和火星距離遙遠，總是把地球上的生活必需品運上火星畢竟是不現實的。

耕種作物需要一個與外界隔絕的溫室，即使塵暴颳起遮天蔽日，也能夠自行提供充足的光照。土星的土壤也不像地球的土壤，它並不可以直接拿來用。首先得清洗掉其中的有毒物質，其次，這些土壤缺乏植物生長需要的重要材料——有機物，這個問題需要解決，不過幸運的是，它倒是含有礦物質。

除了土壤以外，水也是必需的。於是有人想到了利用火星兩極的冰蓋，火星的冰蓋中既有水冰又有二氧化碳乾冰，因此，如果要利用火星的冰蓋，最早的棲息地應該建在這些花費了幾十億年形成的「冰庫」附近。

當然，我們今天聊的只是冰山一角，飛向火星，在火星生存，有大量的課題需要研究、實驗，時間會解決這一切，當然，必然有更多的問題，需要真正踏上火星之後才會發現，才會解決。雄心勃勃熱愛殖民事業的美利堅已經躍躍欲試，不知我們的中華文明何時也會向著外太空的星球啟航？

對火星感興趣的，可以往前翻看「探秘宇宙」專欄，其中有數篇關於火星的報道。

推薦閱讀：