造訪火星，人類(lèi)的星際之旅

原文標(biāo)題：目的地：火星

莉婭·克蘭/文   史曉雷/譯 

莉婭·克蘭（Leah Crane）擁有權(quán)威的指南，告訴你如何抵達(dá)我們的近鄰——火星，并安全返回地球。

當(dāng)鐵銹色的塵土飛揚(yáng)在火星空曠的平原和深深的隕石坑時(shí)，偶爾會(huì)在某件人造物上盤(pán)旋。它也許是著陸器的太陽(yáng)能電池板，也許是漫游車(chē)的輪子。我們送達(dá)火星的機(jī)器人已經(jīng)告訴了許多這顆“鄰居”的信息。它擁有太陽(yáng)系中最高的山峰，很可能還擁有液態(tài)水的地下湖。很久以前，它不像現(xiàn)在是一冰凍沙漠，而是溫暖、濕潤(rùn)之所。然而迄今人類(lèi)還未親自登臨。

有一個(gè)理由導(dǎo)致如此：因?yàn)榍巴鹦呛芾щy。自1971年以來(lái)，已經(jīng)有18次在火星著陸機(jī)器人的嘗試，其中11次要么墜毀，要么著陸不久發(fā)生致命故障，要么徹底失聯(lián)。這樣我們登陸將會(huì)處于險(xiǎn)境，因此需要更多成功的嘗試。

人類(lèi)登陸火星并非遙不可及。對(duì)NASA（美國(guó)宇航局）而言，這是其主要目標(biāo)之一，希望用十年多一點(diǎn)的時(shí)間完成這一目標(biāo)。SpaceX的創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）一直就說(shuō)他希望在火星上建立定居點(diǎn)。中國(guó)、俄羅斯和印度也把目光投向了火星。

“火星熱”最重要的推動(dòng)因素可能是為了一時(shí)之名，但的確也有充足的科學(xué)理由。漫游車(chē)的確可以做一些了不起的工作，但它們沒(méi)有人類(lèi)的機(jī)敏、學(xué)識(shí)和直覺(jué)——這會(huì)激發(fā)出人類(lèi)產(chǎn)生過(guò)的最大困惑：我們?cè)谟钪嬷惺枪铝⒌膯幔縼?lái)自NASA的科學(xué)家珍妮弗·赫爾德曼（Jennifer Heldmann）說(shuō)：“火星是回答這一問(wèn)題的最佳場(chǎng)所。如果你想去真正了解火星，去回答那些根本問(wèn)題，你必須送人到火星上去。”

為了抵達(dá)火星，從地球發(fā)射升空所需的補(bǔ)給品要比以往任何一次都多，要穿越數(shù)百萬(wàn)公里的死寂般的星際空間，然后在另一端安全著陸。這的確令人生畏，但并非不可能。下面便是我們的分步指南。

1.離開(kāi)地球 

當(dāng)?shù)厍蚝突鹦亲罱鼤r(shí)，它們相距約5500萬(wàn)公里。這聽(tīng)起來(lái)好像很遠(yuǎn)，但僅就所需的推進(jìn)系統(tǒng)而言，在太空中穿過(guò)這段距離對(duì)現(xiàn)有的火箭技術(shù)而言，并不算太大要求。 

一旦你離開(kāi)地球足夠遠(yuǎn)，其引力會(huì)顯著減小，你便可以用較小推力抵達(dá)火星。整個(gè)航程大概需要9個(gè)月，這只比宇航員在國(guó)際空間站（ISS）停留的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)——6個(gè)月長(zhǎng)一點(diǎn)。我們不需要設(shè)計(jì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，或擔(dān)心像太陽(yáng)帆這樣的東西，后者加速太慢了。我們需要的只是一枚指向正確方向的大火箭。 

幾十年的太空探索已經(jīng)告訴我們，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何制造大型火箭。目前有7種火箭可以實(shí)現(xiàn)抵達(dá)火星。其中最強(qiáng)大的是SpaceX公司的“重型獵鷹”運(yùn)載火箭，它可以運(yùn)送18.5噸物資。這足以勝任任何著陸器或漫游車(chē)，但是載人抵達(dá)所需物資會(huì)更多。一個(gè)6人的航天小組，搭載食物和水往返火星，至少需要20噸物資。2017年NASA一份報(bào)告估計(jì)，一旦把科學(xué)器材和保障宇航員在火星表面存活的裝備（比如一臺(tái)發(fā)電機(jī)和一處住所）一并考慮的話(huà)，物資總重將會(huì)達(dá)到100噸。 

這并非不可想象。目前兩枚火箭正在研制，NASA的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）和SpaceX的“大獵鷹火箭”（BFR）要比以往發(fā)射的任何火箭都更強(qiáng)大。前者至少可以運(yùn)載45噸物資抵達(dá)火星，后者搭載量預(yù)期可以超過(guò)100噸。

換句話(huà)說(shuō)，要建造更大、更強(qiáng)的火箭目前明確，而且我們可以在載人之前運(yùn)送一些裝備上去以減輕載荷。科羅拉多大學(xué)波爾德分校的布魯斯·杰克斯基（Bruce Jakosky）說(shuō)：“其余的才是困難所在。” 

圖注：SpaceX的獵鷹號(hào)重型火箭足以抵達(dá)火星，但它不能承載載人任務(wù)所需的所有物資。

2.運(yùn)送

看起來(lái)人類(lèi)不得不去適應(yīng)離開(kāi)地球生活。畢竟，國(guó)際空間站將永久存在。但是隨著太空探索的進(jìn)展，訪問(wèn)國(guó)際空間站就像在自家后花園露營(yíng)一樣。你可能覺(jué)得自己已經(jīng)出門(mén)在外，但你的父母仍會(huì)給你帶來(lái)三明治。如果你要去火星，你需要帶上自己的“三明治”。 

你要擔(dān)心的不僅僅是食物。如果航天器出了故障，你必須有備件和工具去修復(fù)它。如果你病了，則需要對(duì)癥的藥物。考慮到額外的重量意味著更多燃料和更多費(fèi)用，因此不可能攜帶上所有備用的物資。你要做什么呢？ 

部分解決辦法是帶一臺(tái)可以按需生產(chǎn)部件的3D打印機(jī)。國(guó)際空間站已經(jīng)擁有一臺(tái)，NASA也已正在試驗(yàn)。因此你的火星之旅可能會(huì)帶上一臺(tái)打印機(jī)和原材料，而不是一堆可能用不上的零部件。 

儲(chǔ)藥柜比較麻煩。我們?cè)诳臻g站上的經(jīng)驗(yàn)表明，細(xì)菌可以在航天器中繁衍。此外研究表明，在模擬微重力環(huán)境下生長(zhǎng)的細(xì)菌能演化出對(duì)廣譜抗生素的抗藥性，而且這種抗藥性比在地球上保持更長(zhǎng)時(shí)間。目前已開(kāi)展了一些項(xiàng)目減緩這種情況，包括在一些可能被弄臟的表面涂上抗菌層，比如洗手間的門(mén)。還有一種建議是，宇航員可以帶一些未加工的藥物配方，而不是完全合成好的藥物，以便可以按需制造藥物。一種可以自動(dòng)合成簡(jiǎn)單藥物的原型系統(tǒng)已在太空展開(kāi)測(cè)試。 

無(wú)論宇航員是否生病，他們無(wú)疑會(huì)受到太空旅行的物理影響。沒(méi)有地球引力的牽拉，肌肉和骨骼開(kāi)始衰退。研究表明，即使每天鍛煉，宇航員在兩周之內(nèi)便會(huì)損失20%的肌肉量。好消息是在火星上影響不大，因?yàn)榛鹦堑囊h(yuǎn)小于地球，在這顆紅色星球上行走容易得多。當(dāng)然，我們還是想盡可能抵消這種影響。宇航員很可能要每天進(jìn)行數(shù)小時(shí)的鍛煉，并配有特制的飲食，還必須穿增壓服。 

除了失去了地球的引力外，宇航員無(wú)法受到地球磁場(chǎng)的庇護(hù)，因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)可以屏蔽有害的宇宙射線。NASA將男性宇航員的輻射暴露劑量限制在大約286000張胸透X片的量，對(duì)女性宇航員而言要再低20%，因?yàn)樗齻兊纳眢w對(duì)輻射損傷更敏感。執(zhí)行登陸火星任務(wù)的宇航員如果按照最短的往返路線，將會(huì)接受最大極限60%的輻射劑量，這沒(méi)有考慮在火星表面停留的時(shí)間。芝加哥阿德勒天文館的露西安·沃克維茨（Lucianne Walkowicz）說(shuō)：“就目前而言，每一項(xiàng)任務(wù)必須去評(píng)估其目標(biāo)是否會(huì)與宇航員的健康標(biāo)準(zhǔn)相違背。對(duì)目前這種遠(yuǎn)程任務(wù)而言，沒(méi)辦法去評(píng)估；但若不實(shí)際做這些任務(wù)，就沒(méi)有辦法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)究竟風(fēng)險(xiǎn)如何。” 

這在心理健康方面也有風(fēng)險(xiǎn)。NASA宇航員尼克爾·斯托得（Nicole Stott）說(shuō)：“距離地球如此遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到當(dāng)?shù)厍虺蔀樘炜罩辛硪粋€(gè)光點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)成為心理上的挑戰(zhàn)。目前我們所做的一切，就發(fā)生在我們可以看到的窗外的地球上。它不僅僅漂亮，而是你與它能產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。只要你能看到它呈現(xiàn)給你的，便能獲得這種關(guān)聯(lián)。”失去它的話(huà)，你需要一個(gè)特定的人來(lái)填補(bǔ)這種關(guān)系。 

  圖注：宇宙射線是宇航員前往火星可能面臨的最大危險(xiǎn)。圖片是靠近德國(guó)達(dá)姆施塔特市的反質(zhì)子與離子研究裝置，這里可以產(chǎn)生這類(lèi)射線并研究其影響。

3. 送誰(shuí)前往

我們送往火星的人將必須滿(mǎn)足目前宇航員的所有要求，包括緊張的體能和心理測(cè)試。但是他們的技能將不止于此。在前往火星的征程中，沒(méi)人能退出團(tuán)隊(duì)，也沒(méi)人能加入進(jìn)來(lái)。飛船上的少數(shù)幾個(gè)人將全權(quán)負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)。 

某些角色，比如工程師、醫(yī)生和科學(xué)家肯定不可或缺。但是尋找完美的宇航員沒(méi)有意義，而應(yīng)該是尋找完美的宇航員團(tuán)隊(duì)。夏威夷大學(xué)金·賓斯特德（Kim Binsted）說(shuō)：“你試圖去配備一個(gè)工具箱，你不能全部裝上錘子，即使它們都是世界上最好的錘子。” 

作為“夏威夷太空探索模擬與仿真”項(xiàng)目的首席科學(xué)家，賓斯特德清楚她在講什么。在該項(xiàng)目中，一組4-6人的團(tuán)隊(duì)猶如生活在火星上。參與者一次會(huì)待數(shù)月，當(dāng)他們出來(lái)時(shí)會(huì)穿上模擬的太空服，然后忍受20分鐘與“地球”交流的滯后間隔。 

賓斯特德說(shuō)，有種情況總會(huì)導(dǎo)致沖突，就是團(tuán)隊(duì)中的一人或兩人與眾不同時(shí)。這種不同可以是性別、國(guó)籍，甚至是音樂(lè)偏好。一個(gè)三男一女的團(tuán)隊(duì)，或者一人整天想怒吼“金屬樂(lè)隊(duì)”的歌曲，可能會(huì)令人崩潰，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)完全無(wú)法協(xié)調(diào)一致。“只要你想擁有一些多樣性，你就會(huì)越放任自己”，賓斯特德說(shuō)。 

團(tuán)隊(duì)任務(wù)的準(zhǔn)備工作，很可能包含接受比目前宇航員更多的團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練。團(tuán)組成員必須學(xué)會(huì)應(yīng)對(duì)他人的性格怪癖，以避免產(chǎn)生或許是非常小的個(gè)人沖突。NASA的心理學(xué)家詹姆斯·皮卡諾（James Picano）說(shuō)：“在嚴(yán)苛的環(huán)境下，隨著時(shí)間的積累，土丘也能變成山岳。他們必須作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)參加訓(xùn)練，作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)生活在一起，模擬那些環(huán)境。” 

4. 在火星上著陸和生活 

經(jīng)過(guò)9個(gè)月穿越太空，旅行者就要面臨這趟行程中最危險(xiǎn)的階段了——著陸。在火星上著陸的困難在于那里幾乎沒(méi)有大氣，平均密度僅有地球大氣的1/160。這便意味著降落傘在航天器減速時(shí)無(wú)法像在地球上一樣產(chǎn)生足夠的拖拽力。我們可以使用反沖火箭去減速，就像當(dāng)年阿波羅宇航員登陸月球一樣。不過(guò)，因?yàn)榛鹦巧系闹亓σ仍虑蛏蠌?qiáng)，我們將需要更多的反沖火箭。這意味著我們極可能需要一種兼反沖火箭與（上方）拖拽物的綜合設(shè)計(jì)。 

該方法對(duì)1噸重的機(jī)器人奏效了，但是對(duì)更重的探測(cè)器就不那么容易了。這便是為什么研究人員正努力探尋改進(jìn)著陸方式的原因。 

一種是NASA的超高音速氣動(dòng)減速器，它由一系列使用凱夫拉纖維增強(qiáng)組織制成的著陸裝置組成，可以形成一個(gè)比降落傘更堅(jiān)固的充氣結(jié)構(gòu)，足以產(chǎn)生更大的緩沖力。NASA已經(jīng)開(kāi)展測(cè)試一些小型的減速器模型。 

然而，真正的困難不在于我們?nèi)绾沃懀窃谀睦镏憽？拷鼉蓸O的某處顯然是理想之所，因?yàn)樵谀抢镂覀冎来嬖诘叵滤部赡軗碛幸簯B(tài)水的地下湖。它們是至關(guān)重要的資源。人類(lèi)會(huì)消耗大量的水，況且水又太重，因此能帶到火星上的非常有限。此外，許多人提議登陸火星任務(wù)中應(yīng)包括利用水作為火箭的燃料，將宇航員送回地球。 

問(wèn)題在于極地區(qū)域會(huì)冷至零下195度，容易產(chǎn)生風(fēng)暴，這會(huì)使著陸更加困難。亞利桑那州立大學(xué)的塔妮婭·哈里森（Tanya Harrison）說(shuō)：“火星的北部平原異常平坦、無(wú)聊，并非令人興奮的著陸處。”赤道區(qū)域大部分在零下100度以上，最高可達(dá)零上20度，而且那里有更充足的陽(yáng)光——宇航員可以充分利用太陽(yáng)能，極少遭遇風(fēng)暴，還有各種有趣的地形可供探索。只是這里沒(méi)有多少可利用的水（即使有的話(huà)）。

真是一個(gè)棘手的問(wèn)題，不過(guò)對(duì)第一次載人著陸而言，最簡(jiǎn)單的辦法是著陸在可預(yù)期的某處，那里漫游車(chē)已經(jīng)勘探過(guò)（參考“漫步火星圖”）。一旦著陸后，宇航員將會(huì)停留一段時(shí)間。即使他們不建一個(gè)永久基地的話(huà)，他們也至少要花費(fèi)數(shù)月以等待火星再次沖日（地球與火星同在太陽(yáng)一側(cè)，且三者處在同一直線——譯者注）時(shí)返回地球，這樣返程才會(huì)大約是幾個(gè)月而不是數(shù)年。若不建立基地，便不會(huì)有到火星旅游的機(jī)會(huì)。 

基地必須應(yīng)對(duì)許多奇怪的火星致死宇航員的問(wèn)題。除了前面提到的極寒環(huán)境外，還會(huì)時(shí)常面臨被小隕石擊中的風(fēng)險(xiǎn)，這些隕石在火星極其稀薄的大氣層中不會(huì)燃燒殆盡。還有來(lái)自太空的輻射，因?yàn)榛鹦菦](méi)有磁場(chǎng)故無(wú)法屏蔽。如此稀薄的大氣層，產(chǎn)生的大氣壓極其小，與外太空無(wú)異（見(jiàn)附圖）。

規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)的最簡(jiǎn)單辦法或許就是將宇航員送上火星的航天器。但航天器本身可能被用作狹仄的起居室。另一個(gè)選擇是帶上他們?cè)诨鹦巧纤璧淖∷蚴怯糜诮ㄔ熳∷牟牧稀ASA正在開(kāi)展一項(xiàng)設(shè)計(jì)3D打印棲息地的競(jìng)賽，已有許多作品入圍。其中一些團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中使用了著陸器的部件，不過(guò)他們也需要?jiǎng)e的建筑材料——這會(huì)增加航天器的發(fā)射載荷。如果參賽團(tuán)隊(duì)可以利用火星表面的既有資源，可獲得額外加分，這已經(jīng)激發(fā)了一些計(jì)劃，比如用壓縮的火星土壤制磚，然后建成穹頂狀住所。NASA已經(jīng)與幾家公司簽了合同，它們正在研究一種制磚的最佳途徑，可以利用精心設(shè)計(jì)的火星粉塵的仿制品作為原料。但即使如此，在火星上建造定居點(diǎn)仍將需要提前向那里發(fā)送包裝好的建筑材料。 

把火星地殼本身作為天然的輻射防護(hù)屏或許可行。一項(xiàng)提議是，人類(lèi)可以把棲息地安置在由遠(yuǎn)古火山熔巖形成的圓柱形溶洞里。通過(guò)衛(wèi)星圖像，我們已經(jīng)看到火星上這種山洞的入口，并研究了它們相似的結(jié)構(gòu)。在地球上，這些溶洞通常寬約30米。但研究表明，在火星上由于重力微弱，那些溶洞會(huì)比地球?qū)?倍，并綿延數(shù)英里。總有一天，它們將容納一整街的“火星居民”。 

勇敢的宇航員還有其他急迫的需求要去考慮。食物可以冷凍干燥，種子可以包裝，如果不能從火星大氣中提取氧氣，則氧氣需要罐裝帶去。 

但是水并不容易獲取。即使宇航員著陸在富含地下水的位置，他們?nèi)孕枰獢y帶沉重的挖掘設(shè)備才能獲取水資源，而且并不能保證取出地面后馬上適合飲用。哈里森說(shuō)：“關(guān)于火星上的冰我們所知甚少，你別指望那里有什么好喝的水，因?yàn)槲覀冋娴牟恢馈！奔词鼓抢锏乃m合飲用，也必定會(huì)充滿(mǎn)微塵。因此，宇航員將不得不攜帶復(fù)雜的過(guò)濾設(shè)備前往。 

宇航服也是類(lèi)似：它們必須有極佳的防塵性能，尤其是火星土壤充滿(mǎn)了吸入或吞食后可致命的化學(xué)物質(zhì)。NASA已開(kāi)始研制下一代宇航服和特殊涂層材料，會(huì)解決粉塵問(wèn)題。哈里森說(shuō)：“在火星上沒(méi)有誤差余地，一切都必須奏效，否則你會(huì)斃命。” 

5.回家了 

有些人可能希望，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看我們會(huì)在火星永久定居。但是目前所有嚴(yán)肅的火星任務(wù)計(jì)劃都包括將宇航員帶回地球。杰克斯基說(shuō)：“那里有非常嚴(yán)酷的自然環(huán)境，我不知道我們?yōu)槭裁聪肴ツ莾荷睢！狈祷氐厍蛞馕吨詈絾T需要忍受再一次發(fā)射、又是9個(gè)月的征程、再一次著陸。幸運(yùn)的是，對(duì)第二次而言會(huì)容易些。火星稀薄的大氣層及其微重力環(huán)境使得進(jìn)入太空并不困難。旅程還是一樣漫長(zhǎng)，不過(guò)熟悉的地球家園的蔚藍(lán)光芒將逐漸變亮。著陸地球比較簡(jiǎn)單，降落傘和地球濃密的大氣層會(huì)幫助實(shí)現(xiàn)。 

當(dāng)宇航員從返回艙伸出頭探視時(shí)，他們會(huì)被海洋中的冷水濺濕，會(huì)被吵雜的人群包圍。他們就要回家了。對(duì)火星而言，飛旋的塵土已將他們的腳印覆蓋，但居住艙仍將停留在那里，準(zhǔn)備、等待著下一批客人的到訪。

圖注：地球與火星的對(duì)比數(shù)據(jù)