如今人类想改造火星 非常困难之谜

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原题：当下人类登陆火星（改造火星）的困难之谜

作者：ADAM MANN

自从火星被发现以来，人类一直梦想着可以登上火星。在不远的将来一个项目将最终开始令这一梦想具有了实现的可能性。

但是这一项目有多大的可行性呢？

NASA（美国航空航天局） 表示我们非常严肃的提出实施一个载人的项目，由于私人的公司正争先恐后地提出关于去火星空前大胆的计划。同样很重要的，随着好奇号火星车着陆和拍下丰富火星地表照片的任务的完成，公众对火星的热情不断高涨。

这个月初，科学家、NASA研究院、私人太空公司达标和其他太空飞行组织的成员们齐聚在华盛顿，在人类登陆火星(H2M)会议上全面讨论了登陆火星会遇到的困难。这场会议由探索火星的拥护组织主持。该拥护组织提出一个项目将在本世纪30年代将宇航员送上火星。

但是火星的沙尘暴是需要认真考虑的，并且还有一个大问题：现在缺少能够将人类送上火星再将其带回地球的技术。如此规模的星际项目将成为本世纪最昂贵最困难的科技挑战。

“火星距离我们真的很远，”NASA国际空间站的指挥官，Sam Scimemi在H2M会上说，“它比空间站到我们的距离远出6个数量级，我们需要新的方式来离开地球去生存，这种方式在之前决没有被实现过，从来没有。”

在能力范围内存在着相当多重要的瓶颈，包括无法为飞往火星的长距离旅行存储足够多的燃料，没有能够将人类降落到火星表面的飞行器，并且我们无法完全保证人类一旦到了火星能够活下来。H2M会议上一大部分的参与者提出了实现载人火星项目的各种障碍。

“我已经重复的说过了，我知道当我们严肃地提出将人类送往火星表面，研究人员在相关领域将进行大量的科学研究。”工程师Bobby Braun，前NASA首席技术专家告诉Wired。

乐观的是载人火星项目并不是没有技术上实现的可能型。关键在于决定它何时实行并且投入时间和金钱用来研发必要的工具。目前NASA，其他太空机构和私人公司正在为这个计划实现做出努力。

在此，Wired提出了最困难的障碍，就是我们需要克服如何到达火星并且改造火星。

图片：一个近火星轨道飞行的人造太空飞船和供给。来自 NASA/John Frassanito 和 同事 。

离开地球

凡事要循序渐进，在深入的太空探索之前，需要首先离开自己的星球。

虽然我们已经在50多年前将人类和机械探头送至太空，但载人火星项目的规模比我们以前做过的任何事都要大。目前没有火箭能够携带巨大的太空仓、宇航员和到达火星必备的所有的供给和燃料摆脱地球引力从地球表面起飞到达太空。最有可能的是，火箭通过几次飞行将飞行器的部分供给和碎片送入近地轨道。宇航员需要不断的缓慢的通过这些碎片和供给修建飞行器，最后飞往火星。

这仍然是很繁重的工作。太空中运转的最大设备，国际空间站，质量为4500吨，需要31个飞船飞行来完成。据NASA表示，一个能够将人类送往火星并带回的火星飞行器应该会比空间站小，大概有1250吨.但是我们的能力受到航天飞机的退役的限制，航天飞机能够相对容易的将大量物品送入地球轨道。

太空工程师Bret Frake，领导着NASA的探索项目和系统办公的计划和分析，Bret Frake称使用现有的火箭，大概需要70-80次的飞行来组成火星项目的太空仓。考虑到国际空间站需要超过十年的时间来完成，组装火星飞行器将花费非常长的时间。

但是在将来，这项任务将变得更简单。NASA希望在2017年左右拥有空间起飞系统，它将成为最大的可飞行火箭，甚至比携带宇航员去月球的土星五号还要大。私有太空飞行公司SpaceX也在研发它的新型猎鹰重型运载火箭，它将具有比NASA大型火箭略小的货物存放空间但是仍旧比目前的任何飞行器都要好。猎鹰重型运载火箭的第一次实验将在今年后半年启动。

NASA估计要至少发射七枚新型SLS火箭来将宇航员、供给和火星项目必需的飞船等送入地球轨道。并且SLS能够对飞往火星有所帮助，这一点也值得关注。

燃料存储

人类不是在火星项目中唯一需要送往火星的。

为了在太空中生存，人类需要很多东西：食物、氧气、帐篷，还有可能是最重要的，燃料。用于载人火星项目发射去太空的原始物资中将近80%将是推进剂。问题在于，在空间中存储如此巨量的燃料是困难的。

处于近地轨道（当宇航员搭建火星飞船时放置飞船材料的地方）的物体每90分钟环绕地球一圈。在一半的周期中，他们感受太阳严重的烘烤，另一半的周期中是空间中寒冷的黑暗。这种变化引起气体的氢和氧-火箭的燃料-蒸发。除非容器是定期通风的，不然存有这些燃料的容器容易爆炸。

氢容易从容器中溢出，大约每个月要损失4%的氢。这意味着如果火星项目需要在近地轨道停留一年的话，将在飞往火星前损失将近一半的推进剂。将一公斤的氢送入太空大约需要花费1万美元，那么这种泄漏将是昂贵的浪费。

NASA很久以来致力于寻找新的技术来在空间中存储推进剂。年初，NASA希望研究空间中大型低温装载和转换技术。这种技术对于载人火星项目具有极大的价值，它将在将来带来一个长久的气体仓库随时为火箭补给燃料。

图片：飞行器在太空燃料站为自己补给燃料。来自NASA 。

改进的推进方式

想要在将人类送往火星的过程中尽快达到火星，以减少暴露在射线的危害及失重状态中，相关技术可以使宇航员们更早的离开地球并且在更舒适的节奏中旅行。

一个相对低动力的引擎可以推送一个载有宇航员供给的飞船到达火星，这些供给供宇航员在火星活动期间使用。在星际计划中，NASA想要在宇航员到达之前推送这样的东西先到达火星表面，等待宇航员的到来。

NASA正在研究改进型的太阳能电动推进方式，这种方式在仓体的后部发射电离气体来使飞船前进。之前的几个项目中，例如NASA的黎明和日本的隼鸟号飞船，都已使用了这项技术。火星项目需要远远比这些已有项目更大的太阳能电动推进器。该机构现在有一个关于搜集小行星并将其拖拽回地球的项目，这一项目将推进新的太阳能电动推进技术研究。

图片：太阳能电动推进器。也包含力学分析。

登陆火星

我们目前还没有能力将人类平安地、简单地降落到火星。这是最近才被意识到的问题，在21世纪早期才通过计算得到理解。

随着工程师开始建造不断加大的机器来降落到火星表面，他们发觉达到了一个极限。稀薄的火星大气层不能很快的撑开降落伞，例如在人类乘坐的飞船在降落时需要用来大幅减速的降落伞。但是大气层仅足够支持一个类似月球飞行器，它使用朝下的火箭，这种火箭在不产生足够的反向气流时不能成功着陆。

在2012年达到火星的重达1吨的好奇号是目前为止我们的技术能够降落到火星表面的最大物体。载人项目，据NASA表示，至少需要40吨重的物体。即使火星一号计划中提出的单程载人火星项目也需要携带将近10吨的物资到达表面。

“降落好奇号就是降落一个小型的原子车，”工程师Bobby Braun说，他是前NASA首席技术专家、现左治亚理工学院教授。对于一个载人计划，“我们意味着降落一个两层的房子，还有另外一个两层的房子，坐落在前一个的附近用来存储燃料和补给。”

“这是个有趣的挑战。”他补充到。虽然好奇号的着陆确实是个重大的成就。它在将来有一天使人类降落的项目面前也显得小儿科。

像那样大规模的降落物体需要新的技术，新的技术需要开发、优化、反复的测试来确保不会使宇航员牺牲。

SpaceX概念龙号飞船登陆火星，使用推进器来减速。图片：来自SpaceX.

“我们我不想要为人类着陆使用的一项技术是超高音速充气系统”，这是一些巨大的类似气球的物体，将展开并变硬办成一个超刚性降落伞，用于帮助飞行器减速，但是在火星项目中将人类降落的关键技术是称作超音速重推进的技术。

一架飞船以24000千米每小时的超高速达到火星大气层。即使在降落伞或充气减速后，它仍然会以高于音速的速度行驶。简单地点燃火箭就像试图点燃一根蜡烛，但是有人一直在吹蜡烛的捻子。一旦推进器启动了，火焰也将处于一个极度变化的环境中，这是我们的技术从未掌控过的。

NASA曾经做个凤洞实验来观察这一问题，曾在20实际60年代和70年代为海盗着陆和最近多次观察。好消息是实验表明超音速的火箭是理论上可行的，坏消息是NASA不再研究这一项目了。

当NASA可能将会重新研究这一项目时，一些私人太空商业组织的成员可能超越他们。SpaceX 目前正在研究可重用的火箭技术，它可以从近地轨道撤回到发射基地。该公司在今年的后期也将研究超音速重推进技术，该技术可能会用到地球和火星项目中。

图片：为火星宇航员搭建的模拟栖息地应该比登陆火星以前任何以往的都要大。来自NASA/John Frassanito和同事

保证宇航员健康

“太空对于发送复杂的、微妙变化的系统，并且可能是最复杂的系统的人类身体是个危险的地方。”健康专家Saralyn Mark说，她是负责NASA的健康和医务的SolaMed解决方案的主席。

讽刺的是，地球上为众多生命提供能源的太阳，在太空旅行中对于生物而言是最致命的。

一旦处于我们星球保护性磁场之外，太阳的射线将在宇航员体内积累，增高他们获得癌症的可能性。从NASA好奇号飞船中近期得到的数据已经帮助研究人员量化射线的等级和危险的程度。类似太阳耀斑和高能粒子的大量爆发将可能将潜在的致死计量的射线发射到太空船上。这就是为什么2018年的私人载人火星计划，Inspiration Mars，选择在太阳的弱活动年，届时是太阳粒子风暴最弱的时期。即使如此，低的太阳粒子活动提高了从星系间发射来的射线的级别，这些射线也是危险的。

飞往火星的旅行大概要经历7到9个月，在整个过程中人类都要被保护起来。目前，最可行的解决方法是用水围绕太空船，水将吸收射线并提供太阳风暴下的一定遮挡。但是水的质量大，任何在项目中增加的重量都将增加费用。在未来，产生小型的能够保护宇航员的磁场技术将被研发，但是这将可能是数十年以后才能完成了。

艺术家制作的从太空仓望向火星表面的概念场景。图片: Ludovic Celle/Da Vinci Mars 设计

除了射线，载人火星最大的挑战是微重力，它奇特的医学环境和隔离，将带来一系列心理问题。

连续待在太空中的时长纪录由具有先锋意识的俄罗斯人保持，他在Mir空间站停留有一年或更久。“那相当超过我们的想象，”Richard S. Williams说，他是NASA的首席健康和医疗官员。“当想要去火星，对于一个双程的旅行来说可能要达到30个月。”

据目前所知长期处于零重力状态下骨骼和钙质将发生降解、肌肉萎缩，并且最近发现还会产生视神经肿胀。如果不予以检查治疗，到达火星的宇航员可能已经很虚弱、骨质脆并且可能失明。

先进的药物和常规的锻炼对于长期的太空旅行似乎有帮助。NASA目前正在计划着让宇航员在国际空间站停留一年来更好的研究这些因素。

但是在去往火星的过程中将要面对的心理问题我们几乎一点也不了解。对于国际空间站，地球与之的距离是近的，宇航员可以向下凝视着地球。但是火星项目中的宇航员没有办法放弃他们的任务，需要忍受很长时间才能与家人通信。

如今已有研究火星宇航员将面临的问题的隔离实验。在20世纪90年代，Biosphere-2实验一次性让7-8个人处于模拟环境中2年的时间。

“Biosphere-2中的实验人员都表示心理问题是最大的问题。”Taber MacCallum说，他是Paragon太空发展的联合创始人之一，也参与了Biosphere-2计划。

最长的模拟火星旅行的实验是火星500项目，它使6个人在密封的房间中待上500天，研究院观察实验的结果。参与这项实验的人员变得无精打采和无聊。其中的一名变得很消沉。6名成员中只有两名没有什么问题出现，只有一名保持着活跃和忙碌，没有消极的表现。

一个火星的项目将要检验隔离人群忍受的极限。成员们可能需要经过长时间的观察来确信他们身体上和心理上的健康。

靠土地为生

火星具有严寒的温度和干旱的环境，这些让它看来不是最好的扎营之地。但是在火星上，宇航员有丰富的资料可以用来利用。

NASA和其他太空机构将之成为原位资源利用（ISRU），它意味着靠土地为生。在宇航员到达之前，一架机器将被预先送至火星，它将从大气中的二氧化碳提炼氧气，从土壤中提取可分离的元素，用这些来制作原料或者火箭燃料。

近几十年来发现，火星有很多凝固成冰态的水。在某些地方的土壤有含有足够的冰晶，机器人可以轻易的攒起一堆。

“之前的火星项目认为我们不得不搜集所有的水，”太空物理学家 Jim Green说，他是行星探索部门NASA的领导者，“现在我们说，只从中取一点点就行了。”

艺术家制作的原位资源利用的概念图，机器人正在搜集火星材料。图片：Pat Rawlings/NASA

虽然经常被讨论，但是ISRU技术从未被开发过。NASA需要声明在依靠外行星生存是可行的。

人类登陆火星项目也需要植物种植能力。乍一看，在火星上种植的想法是合理的想法。宇航员需要新鲜的水果和能够使他们摆脱不得不食用速冻食物的农场。

但是在另一个星球上种植是冒险的。“没人想要宇航员依赖他们自己生产的食物生存，” Taber MacCallum说，他是Paragon太空发展的联合创始人之一。这一项目用于发展太空生命支援系统。“植物是很挑剔的，如果宇航员犯下一个小错误，他们可能全部都会死。”他说。

考虑一下可以从种植中获取的食物的数量和为之投入的能量，再考虑一下温度控制和其他必需的系统和技术。MacCallum估计需要在火星上消耗15-20年的时间连续的经营，我们才能从农业系统中得到与投入相当的产出。

图片：只有长期的火星机器才会考虑种植大量的自己的食物。来自 NASA Ames。

保护自己和星球

地球是我们目前知道的唯一具有生物的地方。但是那并不意味着太空中不存在其他物种。

由于存在外星物种的可能性，NASA和其他研究航天的国家一致同意遵守严格的星球保护标准。当阿波罗11号中的宇航员从月球返回，NASA将他们隔离了三周来确保他们没有携带可怕可能摧毁人类的太空病毒。这样的步骤知道阿波罗14号还在重复执行，这时科学家们才确信从月球返回是没有危害的。

月球是没有有害细菌的。火星却是另外一个环境。证据表明火星可能曾经具有孕育生命的能力。在火星上仍有活着的生物的可能性很小但不为0，这些可能的生物可能是有毒的。

伴随着被火星上的微生物损害我们人类的可能性，我们也尽量避免另一种情况的发生。人类带着自身的生物群落和真菌（人体的每个细胞包含10个微生物细胞），而目前我们不能阻止人类的到来污染到火星。未来的技术我们将提升我们的能力来保护我们免受火星的危险影响，也使火星免受人类的危险影响。

为了遵守严格的行星保护协议，也许最好的方法是在火星表面上执行一些无人的探索计划。人类可以在近地轨道或火星的卫星上扎营，远程实时控制火星表面的机器人。这些机器人将检查火星表面来获取生物存在的证据，并且可能发现更安全的着陆点。未来的技术也将防止在宇航员降落时带来的人类的污染。

图片：尼克松总统当阿波罗11号的宇航员从月球返回后处于隔离室时访问了他们。来自NASA 。

治理沙尘

“在火星表面的第一问题是沙尘，”Grant Anderson说，Paragon太空发展的首席工程师。Paragon太空发展目的在于在太空建造生命支援系统。

干旱的火星环境制作了大量微小的沙尘，这些沙尘数十亿年围绕着火星表面飞扬。这种现象不同与我们在地球上的任何一种现象。

我们唯一遇到过的类似情形是在阿波罗项目中在月球上遭遇的月球沙尘。锋利、粗大的月球土壤可以堵塞机械并且损害其基本的功能。

“我们花费了1700万美元来解决沙尘问题，但是没有一项试验是成功的，”Anderson说，“John Young[阿波罗16号的指挥官曾经在月球上用猪毛刷来刷发热板，但不管用。”

对于生活在火星表面的人类来说，就像生活在巨大的盐地。沙尘是具有腐蚀性的，宇航员的工具需要非常的坚硬。在阿波罗17号时，宇航员Harrison Schmitt丢弃了他的地质锤，因为锤子的柄仅仅3天就被腐蚀掉了。

在火星上尽量使宇航员不暴露在沙尘的环境的中是更加重要的，因为火星上的沙子被认为是有毒的。虽然这一点我们所知甚少，但是好奇号和前一个项目，火星凤凰登陆，证明了火星的土壤富含一种称作高氯酸盐的化学物质。这些物质是高度氯化的盐，可能引起人类甲状腺的疾病。这一点没有明确的被认可，但地球供水系统中，研究员已经将高氯酸盐列为紧急高度关注的化学物质。

火星上的灰尘也可能包含致癌物质，可能使人类产生类似阿波罗宇航员患的月球花粉症的过敏反应或肺部疾病。载人火星计划需要了解火星将如何与人类栖息地的湿度相互作用，或者它是否可能像碱液或洗衣剂一样伤害人类的皮肤。

好奇号正采集的数据帮助科学家了解火星上的沙尘给人类健康带来伤害的程度。但是“先导的实验应该是研究沙尘将怎样使人致死，”Anderson说。他的公司已经研发了相关的技术保证宇航员不与沙尘接触，但仍需要更多的扩展实验来证明该项技术是有效的。

图片：NASA的勇气号火星车经过在火星表面三年时间被覆盖了很多尘土，甚至在图片中都已经看不见它了。来自NASA/JPL-Caltech/Cornell

制定计划

在整个宏伟的计划中，技术上的挑战是简单的。关于载人火星项目的社会、政治方面的影响才是最艰难的。

目前，许多不同的计划产生着。NASA有设计参考白皮书（.pdf）。SpaceX 和 Inspiration Mars也各自具有计划。其他太空机构也在考虑自己的想法。在不管怎样，这些中的一个将被选定为最终的计划。

没有人确切的知道载人项目将花费多少，但估计将花费数百甚至数千亿美元。考虑到通货膨胀，每个阿波罗计划大概花费了180亿美元，而火星项目将是一系列难度更大的项目的组合。看上去这样大规模的项目应该有国际间的合作来完成。那需要在参与国中通过正式承诺的方式制定好一切事务。唯一类似的太空项目，建造国际空间站，参与国最终决定合作需要大约五年的时间。

计划必须也具有一定的灵活性。世界是复杂的，常年的任务需要处理诸如政治变迁和经济衰退等的影响。

“我们都期待着太空中出现美丽的机器，“Sam Scimemi说，NASA国际空间站的领导者：就像斯坦利库布里克2001年的雄伟的轮式空间站

“我们从国际空间站中获得的并不像巨大的旋转的轮子一样美丽性感，”Scimemi说，”而是它为政治、预算和科技提供的能力。在梦想的终点，这才是我们建造的东西。“

有许多人希望有一个新的太空竞赛才促使美国实行火星项目。但是未来是未知的，具有特殊性、唯一性的阿波罗计划不能被复制。

当然还有在之前的太空时代不存在的新的太空玩家。一些私有的公司也将目光投向火星计划，特别是Inspiration Mars和SpaceX。可能很多的人认为商业公司应该独自执行该计划。

“但根据现有的技术水平，政府将仍是主导，”乔治华盛顿大学的太空政治管家Scott Pace说，“人类的太空探索被理想和希望激发了，但是它必须与事实和分析相结合。幻想不能带人去太空。”

Pace指出了使国家联合起来完成一个类似载人火星计划一样宏伟计划的最好方法。

“项目最终的结果将是个象征，先进技术的代表、热情和价值。”他说，“美国将不会在没有国际伙伴的情况在离开近地轨道。阿波罗计划不会在发生了。我认为我们的伙伴愿意和我们一起去月球和火星，但是我不认为他们将在没有我们参加的情况下独自前往。”

图片：NASA