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火星探測器紛紛上天,人類離移民火星還遠嗎?

上個月,即使是對太空探索再漠不關心的人,也都差不多知道今年是火星大年了。而從7月中旬到8月中旬,正好就是兩年多才會遇到的火星探測窗口期。

因此我們就看到,7月份的後半個月裡,阿聯酋、中國和美國接二連三地成功發射了各自的火星探測器。

(佛羅裡達州卡納維拉爾角發射基地)

土豪之國阿聯酋率先出手,在7月20日將世界上第一顆火星天氣衛星“希望號”發射升空;中國的“天問一號”火星探測器緊隨其後,在7月23日發射升空,這次要通過一次發射實現“環繞、著陸、巡行”三項任務的創舉,一舉跨入火星探索第一隊列。而美國的“毅力號”也在經歷多次延期後,也終於在7月30日成功發射升空。這次“毅力號”的亮點是帶了一架名為“機智”(Ingenuity)的無人直升機,首次挑戰在火星的自動飛行。

就在“天問一號”火星探測器發射成功後,有媒體詢問馬斯克:“你覺得中國有沒有可能先你一步把人類送上火星?”而馬斯克淡定的回應:“那就比賽開始吧。到時候來火星後一起喝一杯。”

馬斯克這個身家百億卻把豪宅賣光的“窮人”,目標就是要“移民”火星。據說,馬斯克造汽車、造火箭、挖隧道,還有搞能源公司,用賺來的錢和研究出的技術,為“火星移民”做準備,並計劃在2050年送100萬人上火星。

對於我們這些整天在地球忙忙碌碌的人類來說,可能會非常好奇:火星到底有啥獨特的魅力,吸引這麽多國家投入巨資去做探測?還吸引著馬斯克這樣的科技狂人要去搞什麽“火星移民”?現在我們距離火星移民還有多遠呢?

不如帶著這些疑問,我們“假裝”到火星探索一番吧。

為什麽要探測火星?

人類開始太空探索的第一站是月球,第二站就是火星。一來是火星的狀況與地球最為相似,二來是火星是太陽系裡探索難度最低的行星。

火星的直徑約為地球的二分之一,體積約為地球的15%,質量約為地球的十分之一,重力就只有地球的三分之一。火星也有自轉和公轉,一個火星日約為24.6小時,與地球接近,但一個火星年約是687個地球日,約是1.8個地球年。

因為火星的自轉軸和公轉軌道有一個65°的斜角,因此也有和地球一樣四季的變化。可能是由於火星重力過小的原因,火星大氣非常稀薄,主要成分是二氧化碳,還有少量的氮氣,氧氣可能都已逃逸到太空當中。大氣壓極低,只有地球的1%。這些導致火星的晝夜溫差極大,赤道和南北極的溫差也更大。最有特點的是火星沙塵暴,爆發時可以遮天蔽日,風力是地球最高級台風的數倍,但是因為氣體稀薄,只能卷起濃濃的黃沙。比地球闊氣的是,火星有兩個天然衛星。因為大氣層稀薄、重力小等原因,火星有著遠比地球高數倍的山峰、大的多的隕石坑和巨大峽谷這些地貌。

(太陽系最長的火星水手峽谷,長度約4500公里)

由於在太陽系裡,火星與地球的環境已經是最為接近,所以,探索火星的起源、演變,更能幫助人類了解地球的形成和演化,預測地球的演化趨勢。據推測,火星之前有可能和現在的地球一樣,只是經過幾十億年的演化才成為今年這個寒冷星球。相比較另一顆離地球也很近的金星相比,高溫、炙熱的金星接近地球的過去狀態,而寒冷的火星更接近地球的未來狀態。這也是當年那本情感暢銷書《男人來自火星女人來自金星》用來包裝的噱頭吧。

當然,探索火星的現狀也非常重要,除了對火星地形地貌、地質結構、大氣氣候等環境的探測,最重要的一個任務就是探索火星上面有無水和生命的存在。當然,即使發現火星生命,應該還達不到“火星人”的地步。

不管是出於對地球末日的恐懼,還是對征服星辰大海的渴望,移民火星成為眾多科學家和企業家的理想目標。

由於當初美蘇太空爭霸的激烈競爭,火星探測從上世紀60年代就已經開始。截止到今年6月底,人類一共進行了44次火星探測。剛剛發射的這三個火星探測器還在前往火星的途中,準備開啟它們的火星之旅。

因為每26個月會出現一次“地火相會”的窗口期,這時火星會成為距離地球相對最近的一顆行星,所以也就成了地球人最執著、研究最多的一顆行星。在這一時期進行火星探測的發射能夠節約大量的燃料和飛行時間,所以有探測能力的幾個國家會在這一窗口期扎堆發射火箭去火星。

火星探測是如何實現的?

20世紀的火星探測,主要被當時處於冷戰中的美國和蘇聯所壟斷。第一輪火星競賽,美國更技高一籌,將蘇聯甩在後面。隨著1996年,美國的海盜一號、二號探測器的著陸器在火星表面進行土壤采樣,沒有發現任何的有機分子和生命存在的跡象,第一階段的火星探測宣告結束。

到了20世紀90年代,美國又重啟了對火星的探索熱情。在1996年,美國開始實施“火星生命計劃”,先後成功發射了“火星全球勘測者”和“火星探路者”探測器,以確定火星上是否存在生命。其中,“火星探路者”攜帶了世界第一輛火星探測車“旅居者”。這期間,俄羅斯和日本的火星探測計劃則都已失敗告終。

到21世紀後,歐洲航天局、印度也開始了火星探測,其中歐洲和印度取得了成功,打破了美國、蘇俄對火星探測的壟斷。由於航天技術的提高,火星探測的成功率也大幅提高,減少了很多“有去無蹤”的火星探測計劃。儘管如此,目前火星探測的成功率也只有43%。

1996年12月,美國發射的“旅居者號”火星探測車,成為第一台成功著陸火星的機器人車輛。最初設計的壽命為7天,但實際運行了95天。旅居者號能夠以每分鐘一米的速度前進。

2004年1月,“機遇號”火星探測器發射升空,此後在火星漫遊了14年。在執行第1151個任務日的時候,太陽能板被風吹乾淨,使得發電功率可以提升到800瓦時每天。

(“機遇號”)

“機遇號”在火星開始了漫長的馬拉松行走,經歷了老鷹撞擊坑、弗拉姆撞擊坑、維多利亞撞擊坑,到2015年3月24日,終於完成了標準的42.195公里的火星馬拉松。此後開始頻繁出現故障,最終失聯。

2004年發射升空的“勇氣號”,和“機遇號”是一對姐妹花,它的任務是探測火星上面是否有生命和水,最終“勇氣號”真的找到了火星存在水的證據。

2011年美國成功發射了第三代火星探測車“好奇號”。它是由核電池供電,其裝備的科學儀器質量是上一代的15倍。好奇號在不懈努力下,終於在岩石中發現了有機物,甚至還發現火星有大量的固態水。2018年,美國的“洞察號”火星探測器在火星安全著陸,首次對火星進行深度“體檢”,深入研究火星內部,揭示岩質天體形成等問題。

除此之外,美國的火星探測計劃還對火星大氣層、極地地區進行了探索。美國目前成為對火星探測次數最多、成果最多,也是最有可能最早進行火星移民的國家。

(“毅力號”準備降落的傑澤羅隕石坑,可能存在過火星生命跡象)

現在“毅力號”正在飛往火星的途中,如果一切順利,“毅力號”將在明年2月份在火星赤道以北的傑澤羅隕石坑登陸,繼續探尋火星可能存在過的生命跡象和氣候地質特徵。而中國的“天問一號”也將在火星開展首次的著陸和巡行,開啟中國的火星探測之旅。

火星移民還有多大難度?

火星探測已經再一次如火如荼地展開,但是火星移民其實還沒有明確的時間表。聊到火星移民的時候,就不得不先聊聊如何在火星建立可供人類生存的基地了。

移民火星,就是要在火星建立適合人類生存的火星基地。從介紹火星的內容裡,我們也看到了,火星的生存環境比地球上最嚴酷的沙漠、南北極都嚴酷很多倍。那麽想要建設這種火星基地就必須建成具有空氣、水、土壤,然後溫度適宜、能量穩定的密閉空間。

在2015年科幻片《火星救援》裡,人類已經成功的移民火星了。當時影片中男主馬克因為遭遇意外,獨自一人呆在了火星。他是如何讓自己活下來呢?

他有一個在火星風暴中幸存的居住艙,有同伴逃離前留下來的一些食物。而他短期要克服的險境就是要避免居住艙的生態系統崩潰,也就是氧氣系統要維持循環、水系統要維持循環。長期要克服的問題就是如何獲取足夠的食物。

火星上不缺陽光、二氧化碳。火星也不缺土壤,但是缺有機物,這個他通過自產“農家肥”解決了。植物生長還缺水,儘管火星上已經探測有大量固態水,但基本都在兩極冰蓋,主人公沒法搞到手。後來男主馬克想到用化學反應,讓氧氣和氫氣燃燒產生水。就這樣種下土豆塊的五十天后,馬克的土豆苗奇跡般的長了出來。男主憑借成功地“種出土豆”成功的移民了火星。不過最後脆弱的生命系統還是崩潰了,因為一點意外,艙門爆炸,土豆苗很快就被外面的嚴寒給凍死了。

想象照進現實,現在人類要想在火星實現這樣的居住艙,當然也未必不可能,只是可能太燒錢,可能是數兆美金的成本,目前人類可負擔不起這樣的開銷。

(火星基地想象圖)

馬斯克同學之前做過一個設想,與其搞這麽費事的移民基地,不如把火星本身搞得跟地球一樣就好了。他計劃說在火星引爆一萬顆氫彈,把火星兩極的二氧化碳給釋放出來,把火星搞得溫暖一些。

不要說一萬顆核彈炸火星這種瘋狂計劃行不通,再就是能否達到預期效果還不好說,別把火星弄成更為寒冷的“核冬天”,就更難移民火星了。

還是聊聊在火星建基地的可能性吧。火星基地想要實現系統自循環,那就不能完全依賴地球的各種物資供應。火星上不缺陽光、土壤和水,關鍵問題是如何把這三個元素給充分利用起來,形成火星基地的自循環呢?

不久前,Nature發表了一個日本研究者的新發現,就是通過一種含鋁的催化劑,進行光解水,把水變成氫氣和氧氣,效率高達驚人的96%。我們知道,氫氣和氧氣,一個人清潔能源,一個是人類生命必須品。只要解決了火星固態冰的開採問題,那麽移民火星不是夢了。

不過話又說回來,這個技術的難點可能在這個催化劑的成本和完成反應的成本上。如果這玩意兒的成本遠遠低於化石燃料,生產工藝又簡單,那麽地球的氣候危機也就避免了。

當然,如果這項技術未來可以成熟應用到火星移民上,以此來建立火星基地的生命循環系統和能量系統,只要這些成本低於從地球上運輸物資的成本,那自然是可以接受的。

在NASA的計劃裡,他們希望宇航員在2024年重返月球,然後再開始前往火星的旅程。這次“毅力號”已經在為人類登陸火星做準備。在登陸之後,“毅力號”將展開一個火星氧氣原位製造利用實驗,通過利用火星大氣中的二氧化碳和太陽能,來製備純淨氧氣,作為未來火星宇航員的呼吸來源和火箭燃料氧化劑。

(“毅力號”探測車的科學實驗裝置)

說到底,火星移民的本質既是一個技術問題,也是一個商業問題。任何一個技術環節的進步都有可能帶來商業成本的大幅降低。

埃隆·馬斯克在年初立下的“2050年百萬人上火星”的Flag,跟他一直以來希望將“火星移民”商業化的方式有關。現在SpaceX的星艦計劃正在執行,根據計劃,可能會在2030年之前,SpaceX與NASA一起合作,將人類送上火星。但這僅僅可能是一次類似於登陸月球一樣的短暫停留,能否在此後開展大規模的人類移民,這就要看商業化運作的SpaceX能否將成本大幅降低。

而對於最早一批火星移民者來說,他們極有可能是“有去無回”的。不過,馬斯克也信誓旦旦的說,“火星上會有大量工作的。”對於這樣一個移民的後代,馬斯克確實有一種“宇宙之大,何處都是家”的冒險者精神。

《三體》作者劉慈欣曾經感慨,人類說好要去探索星辰大海,結果卻躲進了互聯網裡,享受更為虛擬的世界。

在大劉的暢想中,他希望有那麽一天,描寫太空航行的科幻小說已經變得平淡無奇,前往火星和小行星帶已經是一件稀松平常的事情,無數人在太空中謀生……而浩瀚宇宙仍然是一個無法想象的存在,承載著我們無窮的想象力。

現在,“希望號”、“天問一號”、“毅力號”的成功發射,無疑給了我們一次仰望星空的機會。希望在地球上終日忙碌的我們,也能做一做太空探索的夢想。

如果一切順利的話,我們大部分人可能在有生之年,可以看到人類的第一批冒險者開啟了太空之旅。而你或你的後代會不會成為其中的一員呢?

希望到時候的船票不要太貴就好。

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