想移民火星?还要解决这些问题

来源:    发布日期:2015-12-01 10:06:46   阅读量:0

文/记者 梁孔丽
 

  11月25日,《火星救援》开始在全国公映,影片讲述了2030年美国国家航空航天局(NASA)实施了载人登陆火星的任务,突如其来的沙尘暴使宇航员们不得不紧急撤离,然而队员马克·沃特尼(Mark Watney)因为意外被留在了火星上,经历了一段孤单漫长的生活。期间,他利用身边的材料搭建温室种土豆,想办法与地面取得了联系,最终在NASA的努力和世界各国科学家的协助下,成功返回地球。

  在太阳系中,火星被认为是自然条件与地球最为接近的,因而,人们一直希望能够了解这个星球,这对人类地球目前面临的问题、开发新的生存空间具有重要意义。然而,像主人公一样成为火星的“移民者”并不容易,这其中要克服诸多困难。

  水和氧气

  影片中,马克对自己需要的热量和水每天都精打细算。由于没有物资补给,他制作了一套再生水回收系统,收集舱内的水气循环利用。

  水是生命的源泉,目前人类还没有发现火星上有能够直接饮用的水。从地球上大量运输到火星对技术、成本要求都很高。火星上有一些水冰,人类可以利用其提取生存所需要的水。不过最近NASA发现的火星液态水是含有高氯酸盐的有毒卤水,而且分布也不算广,在这方面恐怕还要再继续研究。

  既然火星上的水不能直接使用,又不能从地球上大量输送到火星,再生水回收系统就变得非常重要。目前,国际空间站已经在使用这样的系统,这种被称为“水膜”的净水装置,利用纳米技术和调节生物体水分的蛋白质技术,能够把汗液、尿液等废水转化为饮用水。对于该系统,有航天员形象地说,在国际空间站上,自己今天喝的咖啡来自昨天喝下去的咖啡。

  影片中,马克出舱活动时都要带上氧气,有一回他遭遇了头盔破裂,氧气含量急剧下降。如何获取氧气这将是人类未来登陆火星后的重要问题,因为离了氧气我们一时都活不下去。火星上的空气只有地球的0.7%,其中大部分是二氧化碳,未来如果人类要在火星上长期生活,可以通过电解的方式,获取水分子中的氧气和氢气。目前,这种制氧设备已经在国际空间站得到应用,产生的氧气可以用于人类的呼吸,氢气可以进入水循环系统。

  恶劣的自然环境

  太阳系中充满了太空辐射,威胁人类的健康。在前往火星的路上,航天员将面临两类辐射粒子,一种是银河宇宙射线,虽然它的剂量比较低,但却长期存在、能量高、穿透性强,普通的飞船外壳难以阻止它们;另一类是太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子,能量比前者要低得多,持续时间较短,飞船外壳可以有效防护。

  未来的载人火星飞船可设计一间太阳风暴庇护所,让航天员躲避危害。到达火星后,由于没有大气层,活动时会受到带电粒子和射线的伤害。“好奇号”火星车上专门搭载了一台辐射评估探测器,用于测量飞船内部的高能粒子辐射环境,为人类的火星旅行提供基础数据。测算显示,航天员在火星上接受的累计辐射剂量,相当于每星期接受一次全身CT扫描。

  虽然火星与地球环境类似,但其自然环境还是比较恶劣的,除了前面提到的空气稀薄,没有氧气、水源外,那里还十分干燥寒冷,年平均温度在零下60度。电影中我们看到男主角开着火星车在外面行驶时,冷得直打哆嗦,犹豫要不要开暖气,在最冷的时候温度可以达到零下120度。

  另外,不得不提影片一开始袭击大家的沙尘暴,这在火星上也是很常见。火星沙尘暴有时候一刮就是一个月,整个区域甚至全球都是遮天蔽日,含沙量也大,对人类的生存、对各类设备的威胁很大,我国北方的沙尘暴跟火星的相比简直是小打小闹。

  目前人类在地球外单次生存的最长时间记录是前苏联宇航员,共500多天。回到地球后,宇航员的身体并未发现什么异常。不过长期的地外生活,人体确实面临比较大的考验。大家可能会留意到影片里的一个桥段,太空中的宇航员在跑步机上锻炼。太空是一个微重力环境,在火星上,虽然比太空中的重力大,大约是地球的37%,属于低重力环境,跟地球还是有一定差异。爱美的姑娘可能很开心,离开地球后自己的体重减少了很多,但是长期生活在其中的话容易患上软骨病、骨质疏松等疾病。目前在太空中的宇航员需要通过营养搭配、服用药物、加强锻炼等方式,防范这些问题的发生。

  光是到达火星,人类就要经历漫长的7个月的时间。从离开地球表面开始,人类就将面临严酷的自然环境,不过随着科技的进步,相信科学家可以找到办法解决这些问题。

  开垦火星

  影片中,马克改造出了一片菜地,种植土豆获取食物。不过为什么Mark要把自己的粑粑和到土里呢?

  原来,植物生长所需要的某些特定养分只能通过微生物来提供。火星的土壤成分与地球土壤基本相同,但是火星表面没有微生物,也没有腐殖质(已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质)。

  马克把大家留下来的脱水粪便找了出来,虽然完全不含微生物了,但还有蛋白质。他在容器里加水把粪便和开,还加了一点自己的粪便,这样,微生物在接种后开始大量繁殖。但是仅仅有粪便还不够,他又加入了地球土壤,让其中的微生物感染火星土壤。一周之后,火星土壤就被改造成充满微生物的地球土壤,可以生长作物了。

  改造火星土壤是个不错的主意,不过要想大规模种植农作物恐怕得考虑一下成本问题。目前将一公斤的有效载荷运到国际空间站就需要1万美元,从火星到地球需要飞行更久,这个投入是非常大的。

  要大规模改造火星土壤、种植农作物还需要大量的水,这又要考验提供水源的能力。另外,还有空气,不光是人类需要呼吸,植物也一样,火星的温度也不适合直接种植作物,未来可能需要像影片里一样建造温室制造局部的类地环境,作物才能生长。一句话,在火星上开荒种地可不是简单的事,要在火星上长期生活、自给自足还有很长的路要走。

  目前从地球到国际空间站输送食物,两天就可以到达,而到火星需要7个月才能送达。因此,找到能够适应火星环境的作物种类,在火星上种植获取食物,不仅能够为以后登陆火星的航天员提供足够的营养,还能大大减轻从地球上运送物资的重量,降低载人登陆火星的技术风险和经费成本。而在今年,国际空间站已经成功栽培出了新鲜蔬菜。蔬菜的开发潜力很大,通过有色光线就能控制其生长。

  人类何时才能登陆火星

  火星是太阳系中唯一有可能在改造后供人类长期居住的星球,虽然人类已经有能力登上月球,但是由于火星的距离远、引力大等特点,人类依旧要解决不少技术难题才能实现登陆的可能。未来可能要经历无人航天器的着陆与返回、载人航天器的环绕飞行等一系列铺垫后才能进行载人登陆。

  可喜的是,随着载人航天技术,特别是重型运载火箭和新一代载人飞船的性能有了显著提升,美、俄、欧等各个航天大国很早就制定了载人登陆火星计划,一些民营航天企业也将载人登陆火星作为长远发展目标。预计在21世纪上半叶,人类将实现登陆火星的梦想。中国也正在进行火星探测的计划,今年11月,我国的火星探测器模型首次亮相,预计在2020年,这款探测器将前往火星执行探测任务。

  探测火星充满挑战,受到政治、经济、技术等诸多因素的影响,虽然面临很大的困难,但它是全人类的共同梦想。在影片中我们看到在各国的协助下,马克被成功接回地球。未来首次登陆火星表面的,很可能是多国合作的航天员乘组。

  实现载人登陆火星后,人类可能继续建立火星前哨站、改造火星环境、移民火星等工作。在未来,《火星救援》中的情景将不再是科幻。■

  感谢北京大学地球与空间科学学院教授焦维新作为文章科学顾问

  Tips

  火星基本情况

  ○大小:直径6794km,是地球质量的11%、体积的15%

  ○表面引力:3.72 m/s,地球的37%左右

  ○卫星数量:2颗

  ○距离太阳:22794万千米

  ○距离地球:最近距离约5500万公里,最远距离超过4亿公里

  ○运动周期:公转需687天,自转需24小时37分22.6秒

  ○地表:砂石、砾石遍布,几乎没有液态水体

  ○大气:大气以二氧化碳为主,稀薄又寒冷

  ○温度:平均温度-62℃,最低温度接近-126℃,夏季温度为20℃,较适宜人类