登陆火星人类能将它变成“第二地球”吗?

实现人类登陆火星并设立“火星基地”是人类长久的梦想(电脑合成图)

“火星,我们来了!”2月10日前后,中国“天问一号”探测器将抵达火星轨道,开启火星探测之旅。火星,这颗人们熟悉的类地行星,至今仍是人类尚未涉足之地。火星在文学作品中登场的机会不计其数,更是无数科幻电影中的主场地。 

人类移民火星的愿望能成真吗?一个适合人类在火星生活的基地是怎样的?如何建设火星基地?火星会成为第二个地球吗? 

火星与地球“差不多” 

“我们虽然生活在地球上,但仅仅在地球上去认识地球,肯定还是不够的。”首次火星探测任务工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠指出,研究火星,对认识地球演变具有非常重要的比较意义。 

为什么?因为在太阳系八大行星中,火星是最“像”地球的那一个,环境与地球最为相似。“有人认为,火星是地球的过去,地球过去就是火星的样子。也有人认为,火星是地球的未来,地球在朝着火星的方向演变。”国家航天局探月与航天工程中心深空探测工程总体部部长耿言向记者解释。 

太阳系中有四个类地行星:水星、地球、火星、金星。它们的主要成分都是硅酸盐,有固体表面。根据目前对太阳系各个行星的探测,火星的物理性质和化学性质与地球最为相近。火星的自转周期为24小时37分22秒,也就是说,火星上的一天与地球上的一天非常接近。而且,火星也是倾斜着身子自转,自转轴倾角为25.19度,与地球(约23度)十分接近。由于自转轴倾角和自转周期与地球相近,火星的昼夜长短及四季变化与地球也几乎一样。“在火星过日子与地球差不多。”耿言说。 

此外,火星的表面温度大约在-133℃~27℃之间,在太阳系类地行星中,与地球最为接近。火星的地貌特征与地球也很像,拥有高山、平原和峡谷等多种地形,南方充满陨石撞击的高地和峡谷,北方则多是被熔岩填平的平原。 

去火星相对“更容易” 

“还有一个关键是,有明确证据证明,火星上曾经存在水。”耿言说,火星上是否存在孕育生命的条件以及火星是地球的过去还是未来,成为火星研究的重大科学问题。 

除了科学研究上的考虑,选择火星也是一种现实考虑:量力而行。“从工程实施角度来看,去火星相对更容易。”耿言说,在太阳系各大行星中,火星与地球邻近。基于现有航天能力,航天器飞行约7个月可到达火星。去水星等其他行星,至少需要数年的飞行时间。因此,相比更远的行星,火星探测的任务周期较合适。 

尽管如此,火星探测任务难度仍然很大。由于火星相对地球距离遥远,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了很高的要求。 

据国家航天局透露,目前,多个国家或地区具备探测火星的技术能力,有的项目已在准备中,未来一段时间火星探测的“朋友圈”将更加壮大。而且,火星与地球有最接近的环境,使得机器人或人类进入火星成为可能。因此,在载人登月之后,火星成为人类登陆行星的首选目标。 

“人类终将会长大,离开自己的摇篮。”中国月球探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远如此诗意地表达对人类与火星未来的畅想——我们要将火星这颗红色星球,改造为绿色星球,最后变成蓝色星球。 

人类利用火星“四步走” 

不久前,美国太空探险公司宣布与俄罗斯合作开发太空旅游路线,2023年开展国际空间站双飞两周游,其间带游客太空行走。人类探索太空不足百年,太空旅游已准备成为现实。但中国科学院国家天文台行星科学家郑永春指出,人们对火星的期望远不止旅游一趟:“对于火星来讲,我们显然有一个更宏大、更长远的计划,它要作为人类在应急状态下的一个避难所,它要在地球出现危机的时候,我们仍然能够在太阳系中延续人类的火种。” 

要完成这样的创举,需经历探测火星、载人登陆火星、改造火星、移民火星四个阶段。目前,人类正处于密集探测火星阶段,青年航天学者毛新愿介绍,随着技术日趋成熟,很多国家已开始研究载人登陆火星。毛新愿表示:“一旦要载人的话,就意味着必须要回来,而且是大规模的、很大重量的回来,这也就意味着从重型火箭甚至是超重型火箭到更先进的载人飞船的研制,更先进的行星着陆器的研制,更先进的返回载人航天器的研制。” 

尽管听起来复杂,但毛新愿认为,距离实现载人登陆火星或许只在二十年内。 

这之后,便进入改造火星阶段。 

电影《火星救援》中,主人公意外滞留火星,在等待队友前来救援的时间内,他首先要解决吃饭问题,于是在火星的太空舱里开始了土豆种植。凭借植物学知识,主人公用真空包装的排泄物、火星土、火箭燃料烧出来的水成功种植了土豆,最终熬过四年等到队友。这部科学知识满满的电影加深了人们对火星的认识,也点燃了人们对火星的希望。 

最大限度利用火星资源 

现实中,火星上是不是真的能种土豆或其他植物呢?郑永春解释:“火星上的大气是二氧化碳,但是浓度又不够,另外它的温度昼夜温差也非常大,所以如果直接暴露在外面种是肯定不行的。只能在温室大棚里面种植。火星的土壤跟地球土壤很多成分是类似的,也有一定的营养元素,能够支撑作物的生长。但是作物生长不仅仅需要营养元素,它还需要很多的有机物,很多的养分,这些养分可能就需要地球来提供,或者用别的方式来解决。” 

目前,我国在模拟月球环境的“月宫一号”实验装置中,栽培了粮食作物、蔬菜和水果,饲养了黄粉虫,还有微生物来降解废物。毛新愿认为,将来在火星上种土豆等蔬菜也可以实现。 

现在的火星表面,种不了蔬菜,也住不了人。毛新愿表示,人类如果实现移民火星,毫无疑问要生活在封闭的环境里,甚至是半地下的环境。毛新愿表示:“采用挖洞的方式,就像咱们陕北的挖窑洞方式,生活在这种半地下的环境,只有一个口是对外的。这样的话可以最大限度地利用火星本身的土壤或者浅层的结构防御辐射,包括可能的微陨石撞击。未来人类的照明也基本上靠内部照明。当然火星表面肯定也要开发一些能源、矿产,所以地上也有基地。” 

移民去火星现在还不现实 

火星地表沙丘、砾石遍布,外表呈现橘红色。沙尘悬浮在大气层中,每年常有尘暴发生。其强烈程度令人胆寒。现在的火星看上去一片荒凉、孤寂。没有地球上常见的动植物,也看不见特别丰富的水流、风霜的冲刷、腐蚀痕迹。 

“研究结果表明,火星上以前很可能有水,这一点是比较确定的。”北京天文馆名誉馆长朱进说,也有研究称,火星上现在可能也存在液态水,依据是在火星某些斜坡上有类似水流的痕迹,而这些地方盐分含量比较大。他解释,火星上虽然特别冷,但也有像夏季这样温度比较高的时候,而且含盐量高时水的冰点会降低,就有可能存在液态水,但这项研究发表后,马上也有新的研究质疑它,所以类似问题,一直有不同看法。 

火星上恶劣的环境,并不妨碍人类大开脑洞,展开各种想象,“移民火星”就是其中之一。那么,人类有没有短时间内移居火星的可能? 

在朱进看来,答案是否定的,“有些人很乐观,计划在五到十年内移民火星,但我个人来看,就目前技术手段而言,这并不是短期内能解决的问题”。首先就是环境因素。地球表面有大面积海洋,可以调节温度、稳定湿度,孕育了大量的海洋生物,这个条件火星上就不具备。另外,朱进提到,火星的磁场也非常弱,无力阻挡一些强大辐射,如果人类到了火星上,这都是需要面对的重要问题。想把它的磁场改造得跟地球一样,几乎做不到。 

“火星上的环境不可能像地球上这么好。”朱进称,也许随着科技进步,有可能在小范围内建造实验室,实现室内的局部气候调节,但人类在火星上,无法像在地球上一样生活。 

■深度

为什么登陆火星如此之难 

当地时间2月3日,科学狂人埃隆·马斯克的SpaceX在进行星舰原型机SN9的试飞时遭遇失败,落地后发生爆炸。星舰是SpaceX开发的新一代重型火箭,其重要使命就是实现载人登陆火星的计划。就在前不久,马斯克刚刚放出豪言,要在5年半的时间里实现载人登陆火星的伟大壮举。然而,早在1969年,人类就已经实施载人登月了,如今52年过去了,依然没有取得更多的突破。 

那么,登陆火星和登陆月球有何区别?为什么登陆火星如此之难呢? 

距离·发射窗口 

火星和太阳的平均距离为2.28亿公里,而地月距离只有38.4万公里,前者是后者的近600倍。人类航天器想要飞到火星,就需要更多的燃料。同时,携带更多的燃料,又需要更多的燃料来携带这些燃料。也就是说,随着距离的增加,对火箭运载能力的要求就呈指数级增加。因此,NASA也一直在尝试开发核动力火箭,以求大幅提高火箭的能力。 

因此,人类向火星发射航天器,必须要选择地球和火星的相对位置最近的时机,也就是所谓火星冲日的时机。这样的机会平均每26个月出现一次,这就是火星探测的窗口期。2020年7月底,我们迎来了一次新的火星探测窗口期,世界上有三个国家发射了火星探测器;而下一次的窗口期,就要等到26个月了。 

距离·补给困难 

即使是在窗口期,火星探测器也要在旅途上花费至少5个月的时间。这意味着,火星探测不可能像月球探测一样得到实际意义上的任何补给,所有的生存必需品都要一次性携带到火星上,这对火箭运载能力的要求就进一步提高了。 

在月球上,宇航员呼吸的空气、食物和水源的补充,都可以和他们一起升空。而对于火星探测任务来说,一口气携带这么多补给是非常困难的。正因如此,美国“毅力号”火星车也携带了许多设备,尝试在未来帮助宇航员在火星上“自力更生”,通过先进的设备在火星上制造氧气、合成净水、制作食物。 

环境·背井离乡 

正是由于火星探测有26个月的窗口期,宇航员的返程也不得不遵从这样的限制。这意味着,宇航员将不得不在火星上生存超过两年的时间。再考虑到往返的路程,他们将不得不离开地球差不多两年半的时间。 

在这两年半的时间里,即使会有几个同伴,但终日只能与这几个人相对,再加上对亲人、朋友的思念,将会给宇航员带来前所未有的孤独感。你可能想象不到这样的孤独感有多可怕,但几乎可以肯定,比你想象的要更加可怕。这种心理上的持续打击,将会给人带来可怕的冲动行为。因此,载人登陆火星任务,对于宇航员的生理和心理素质都提出了极其严苛的挑战。 

环境·辐射强大 

科学家认为,整个火星任务执行期间,宇航员面临的最大威胁就是强大的辐射。在地球上,我们有大气层和地磁场的保护,几乎不用担心被辐射所伤害。但是到了火星,大气层比地球稀薄,磁场也更弱,宇航员就要面临来自太阳和宇宙的各种辐射所伤害的威胁。尤其是往返途中的10个月,连这样稀薄的大气层和微弱磁场都没有,宇航员也更有被辐射导致癌症或者大脑相关疾病的危险,可以说,宇航员真的是在用生命来执行任务。 

对此,科学家们也提出了解决方案,那就是利用3D打印技术和行星上的材料,建造出可供宇航员居住并且能够抵御辐射的基地。这种方法既可以降低成本,又能够有效地建立起人类的生存基地,便于未来对火星的开发。 

环境·重力 

火星表面重力是地球的4/9,相当于月球的2.67倍。首先,这对于着陆器的降落就提出了非常高的要求,即使是火星车,着陆失败的案例也比比皆是,更不用说完全不在同一个重量级的载人登陆器了。同时,航天员还是要回来的,和登月相比,火星着陆器上升并返回地球的难度要更大,需要的能源也更多。 

即便如此,火星表面和地球相比也算是低重力环境,更不用说往返路程上10个月太空微重力环境。这种重力对于人体的影响,科学家所知还比较少,只知道会对骨骼、肌肉、视力、血液循环等方面有比较明显的影响,这些方面也已经足够令人担忧,甚至也会造成心理问题。因此,在开展载人登陆火星任务的同时,如何保护宇航员的身心健康,也是科学家必须要面对的问题。

编辑:曾艳

责任编辑:罗宁

值班编审:卢超

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