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火星探测器纷纷上天,人类离移民火星还远吗?

脑极体 · 2020-08-24
梦想还是要有的,万一钱攒够了呢

编者按:本文来自微信公众号“脑极体”(ID:unity007),作者 海怪,36氪经授权发布。

上个月,即使是对太空探索再漠不关心的人,也都差不多知道今年是火星大年了。而从7月中旬到8月中旬,正好就是两年多才会遇到的火星探测窗口期。

因此我们就看到,7月份的后半个月里,阿联酋、中国和美国接二连三地成功发射了各自的火星探测器。

(佛罗里达州卡纳维拉尔角发射基地)

土豪之国阿联酋率先出手,在7月20日将世界上第一颗火星气象卫星“希望号”发射升空;中国的“天问一号”火星探测器紧随其后,在7月23日发射升空,这次要通过一次发射实现“环绕、着陆、巡行”三项任务的创举,一举跨入火星探索第一队列。

而美国的“毅力号”也在经历多次延期后,也终于在7月30日成功发射升空。这次“毅力号”的亮点是带了一架名为“机智”(Ingenuity)的无人直升机,首次挑战在火星的自动飞行。

就在“天问一号”火星探测器发射成功后,有媒体询问马斯克:“你觉得中国有没有可能先你一步把人类送上火星?”而马斯克淡定的回应:“那就比赛开始吧。到时候来火星后一起喝一杯。”

马斯克这个身家百亿却把豪宅卖光的“穷人”,目标就是要“移民”火星。据说,马斯克造汽车、造火箭、挖隧道,还有搞能源公司,用赚来的钱和研究出的技术,为“火星移民”做准备,并计划在2050年送100万人上火星。

对于我们这些整天在地球忙忙碌碌的人类来说,可能会非常好奇:火星到底有啥独特的魅力,吸引这么多国家投入巨资去做探测?还吸引着马斯克这样的科技狂人要去搞什么“火星移民”?现在我们距离火星移民还有多远呢?

不如带着这些疑问,我们“假装”到火星探索一番吧。

为什么要探测火星?

人类开始太空探索的第一站是月球,第二站就是火星。一来是火星的状况与地球最为相似,二来是火星是太阳系里探索难度最低的行星。

火星的直径约为地球的二分之一,体积约为地球的15%,质量约为地球的十分之一,重力就只有地球的三分之一。火星也有自转和公转,一个火星日约为24.6小时,与地球接近,但一个火星年约是687个地球日,约是1.8个地球年。

因为火星的自转轴和公转轨道有一个65°的斜角,因此也有和地球一样四季的变化。可能是由于火星重力过小的原因,火星大气非常稀薄,主要成分是二氧化碳,还有少量的氮气,氧气可能都已逃逸到太空当中。大气压极低,只有地球的1%。

这些导致火星的昼夜温差极大,赤道和南北极的温差也更大。最有特点的是火星沙尘暴,爆发时可以遮天蔽日,风力是地球最高级台风的数倍,但是因为气体稀薄,只能卷起浓浓的黄沙。比地球阔气的是,火星有两个天然卫星。因为大气层稀薄、重力小等原因,火星有着远比地球高数倍的山峰、大的多的陨石坑和巨大峡谷这些地貌。

(太阳系最长的火星水手峡谷,长度约4500公里)

由于在太阳系里,火星与地球的环境已经是最为接近,所以,探索火星的起源、演变,更能帮助人类了解地球的形成和演化,预测地球的演化趋势。据推测,火星之前有可能和现在的地球一样,只是经过几十亿年的演化才成为今年这个寒冷星球。

相比较另一颗离地球也很近的金星相比,高温、炙热的金星接近地球的过去状态,而寒冷的火星更接近地球的未来状态。这也是当年那本情感畅销书《男人来自火星女人来自金星》用来包装的噱头吧。

当然,探索火星的现状也非常重要,除了对火星地形地貌、地质结构、大气气候等环境的探测,最重要的一个任务就是探索火星上面有无水和生命的存在。当然,即使发现火星生命,应该还达不到“火星人”的地步。

不管是出于对地球末日的恐惧,还是对征服星辰大海的渴望,移民火星成为众多科学家和企业家的理想目标。

由于当初美苏太空争霸的激烈竞争,火星探测从上世纪60年代就已经开始。截止到今年6月底,人类一共进行了44次火星探测。刚刚发射的这三个火星探测器还在前往火星的途中,准备开启它们的火星之旅。

因为每26个月会出现一次“地火相会”的窗口期,这时火星会成为距离地球相对最近的一颗行星,所以也就成了地球人最执着、研究最多的一颗行星。在这一时期进行火星探测的发射能够节约大量的燃料和飞行时间,所以有探测能力的几个国家会在这一窗口期扎堆发射火箭去火星。

火星探测是如何实现的?

20世纪的火星探测,主要被当时处于冷战中的美国和苏联所垄断。第一轮火星竞赛,美国更技高一筹,将苏联甩在后面。随着1996年,美国的海盗一号、二号探测器的着陆器在火星表面进行土壤采样,没有发现任何的有机分子和生命存在的迹象,第一阶段的火星探测宣告结束。

到了20世纪90年代,美国又重启了对火星的探索热情。在1996年,美国开始实施“火星生命计划”,先后成功发射了“火星全球勘测者”和“火星探路者”探测器,以确定火星上是否存在生命。其中,“火星探路者”携带了世界第一辆火星探测车“旅居者”。这期间,俄罗斯和日本的火星探测计划则都已失败告终。

到21世纪后,欧洲航天局、印度也开始了火星探测,其中欧洲和印度取得了成功,打破了美国、苏俄对火星探测的垄断。由于航天技术的提高,火星探测的成功率也大幅提高,减少了很多“有去无踪”的火星探测计划。尽管如此,目前火星探测的成功率也只有43%。

1996年12月,美国发射的“旅居者号”火星探测车,成为第一台成功着陆火星的机器人车辆。最初设计的寿命为7天,但实际运行了95天。旅居者号能够以每分钟一米的速度前进。

2004年1月,“机遇号”火星探测器发射升空,此后在火星漫游了14年。在执行第1151个任务日的时候,太阳能板被风吹干净,使得发电功率可以提升到800瓦时每天。

(“机遇号”)

“机遇号”在火星开始了漫长的马拉松行走,经历了老鹰撞击坑、弗拉姆撞击坑、维多利亚撞击坑,到2015年3月24日,终于完成了标准的42.195公里的火星马拉松。此后开始频繁出现故障,最终失联。

2004年发射升空的“勇气号”,和“机遇号”是一对姐妹花,它的任务是探测火星上面是否有生命和水,最终“勇气号”真的找到了火星存在水的证据。

2011年美国成功发射了第三代火星探测车“好奇号”。它是由核电池供电,其装备的科学仪器质量是上一代的15倍。好奇号在不懈努力下,终于在岩石中发现了有机物,甚至还发现火星有大量的固态水。2018年,美国的“洞察号”火星探测器在火星安全着陆,首次对火星进行深度“体检”,深入研究火星内部,揭示岩质天体形成等问题。

除此之外,美国的火星探测计划还对火星大气层、极地地区进行了探索。美国目前成为对火星探测次数最多、成果最多,也是最有可能最早进行火星移民的国家。

(“毅力号”准备降落的杰泽罗陨石坑,可能存在过火星生命迹象)

现在“毅力号”正在飞往火星的途中,如果一切顺利,“毅力号”将在明年2月份在火星赤道以北的杰泽罗陨石坑登陆,继续探寻火星可能存在过的生命迹象和气候地质特征。而中国的“天问一号”也将在火星开展首次的着陆和巡行,开启中国的火星探测之旅。

火星移民还有多大难度?

火星探测已经再一次如火如荼地展开,但是火星移民其实还没有明确的时间表。聊到火星移民的时候,就不得不先聊聊如何在火星建立可供人类生存的基地了。

移民火星,就是要在火星建立适合人类生存的火星基地。从介绍火星的内容里,我们也看到了,火星的生存环境比地球上最严酷的沙漠、南北极都严酷很多倍。那么想要建设这种火星基地就必须建成具有空气、水、土壤,然后温度适宜、能量稳定的密闭空间。

在2015年科幻片《火星救援》里,人类已经成功的移民火星了。当时影片中男主马克因为遭遇意外,独自一人呆在了火星。他是如何让自己活下来呢?

他有一个在火星风暴中幸存的居住舱,有同伴逃离前留下来的一些食物。而他短期要克服的险境就是要避免居住舱的生态系统崩溃,也就是氧气系统要维持循环、水系统要维持循环。长期要克服的问题就是如何获取足够的食物。

火星上不缺阳光、二氧化碳。火星也不缺土壤,但是缺有机物,这个他通过自产“农家肥”解决了。植物生长还缺水,尽管火星上已经探测有大量固态水,但基本都在两极冰盖,主人公没法搞到手。后来男主马克想到用化学反应,让氧气和氢气燃烧产生水。

就这样种下土豆块的五十天后,马克的土豆苗奇迹般的长了出来。男主凭借成功地“种出土豆”成功的移民了火星。不过最后脆弱的生命系统还是崩溃了,因为一点意外,舱门爆炸,土豆苗很快就被外面的严寒给冻死了。

想象照进现实,现在人类要想在火星实现这样的居住舱,当然也未必不可能,只是可能太烧钱,可能是数万亿美金的成本,目前人类可负担不起这样的开销。

(火星基地想象图)

马斯克同学之前做过一个设想,与其搞这么费事的移民基地,不如把火星本身搞得跟地球一样就好了。他计划说在火星引爆一万颗氢弹,把火星两极的二氧化碳给释放出来,把火星搞得温暖一些。

不要说一万颗核弹炸火星这种疯狂计划行不通,再就是能否达到预期效果还不好说,别把火星弄成更为寒冷的“核冬天”,就更难移民火星了。

还是聊聊在火星建基地的可能性吧。火星基地想要实现系统自循环,那就不能完全依赖地球的各种物资供应。火星上不缺阳光、土壤和水,关键问题是如何把这三个元素给充分利用起来,形成火星基地的自循环呢?

不久前,Nature发表了一个日本研究者的新发现,就是通过一种含铝的催化剂,进行光解水,把水变成氢气和氧气,效率高达惊人的96%。我们知道,氢气和氧气,一个人清洁能源,一个是人类生命必须品。只要解决了火星固态冰的开采问题,那么移民火星不是梦了。

不过话又说回来,这个技术的难点可能在这个催化剂的成本和完成反应的成本上。如果这玩意儿的成本远远低于化石燃料,生产工艺又简单,那么地球的气候危机也就避免了。

当然,如果这项技术未来可以成熟应用到火星移民上,以此来建立火星基地的生命循环系统和能量系统,只要这些成本低于从地球上运输物资的成本,那自然是可以接受的。

在NASA的计划里,他们希望宇航员在2024年重返月球,然后再开始前往火星的旅程。这次“毅力号”已经在为人类登陆火星做准备。在登陆之后,“毅力号”将展开一个火星氧气原位制造利用实验,通过利用火星大气中的二氧化碳和太阳能,来制备纯净氧气,作为未来火星宇航员的呼吸来源和火箭燃料氧化剂。

(“毅力号”探测车的科学实验装置)

说到底,火星移民的本质既是一个技术问题,也是一个商业问题。任何一个技术环节的进步都有可能带来商业成本的大幅降低。

埃隆·马斯克在年初立下的“2050年百万人上火星”的Flag,跟他一直以来希望将“火星移民”商业化的方式有关。现在SpaceX的星舰计划正在执行,根据计划,可能会在2030年之前,SpaceX与NASA一起合作,将人类送上火星。但这仅仅可能是一次类似于登陆月球一样的短暂停留,能否在此后开展大规模的人类移民,这就要看商业化运作的SpaceX能否将成本大幅降低。

而对于最早一批火星移民者来说,他们极有可能是“有去无回”的。不过,马斯克也信誓旦旦的说,“火星上会有大量工作的。”对于这样一个移民的后代,马斯克确实有一种“宇宙之大,何处都是家”的冒险者精神。

《三体》作者刘慈欣曾经感慨,人类说好要去探索星辰大海,结果却躲进了互联网里,享受更为虚拟的世界。

在大刘的畅想中,他希望有那么一天,描写太空航行的科幻小说已经变得平淡无奇,前往火星和小行星带已经是一件稀松平常的事情,无数人在太空中谋生……而浩瀚宇宙仍然是一个无法想象的存在,承载着我们无穷的想象力。

现在,“希望号”、“天问一号”、“毅力号”的成功发射,无疑给了我们一次仰望星空的机会。希望在地球上终日忙碌的我们,也能做一做太空探索的梦想。

如果一切顺利的话,我们大部分人可能在有生之年,可以看到人类的第一批冒险者开启了太空之旅。而你或你的后代会不会成为其中的一员呢?

希望到时候的船票不要太贵就好。

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