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移民火星并没有想象的那么困难,和容易 精选

已有 4470 次阅读 2021-3-29 00:22 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

火星情节

自从伽利略第一次将望远镜对准火星,似乎看见火星上星罗棋布的河道,西方人就开始幻想火星人,火星文明。这些年,美国航空航天局的火星探测器传回来大量精美的火星表面照片,大大增加了人类对火星的了解,让火星看起来触手可及。大概因为火星看起来太像地球了,很多人自然地认为我们应该赶紧移民火星。

那么从技术上来说,几年内将人类送往火星,建立殖民点的可能性有多大呢?狂人马斯克本人对此颇有信心。本来他的计划是2024年将首批人类送往火星。最新的消息是,他觉得“非常有信心”2026年成行。2023年计划安排一次围绕月球的太空旅游。今年正在密集测试用来飞往火星的飞船,星舰(Starship)。

SpaceX公司火星计划宣传图(SpaceX.com)


与多数人的看法不同,我认为星球开发的第一目标是月球,其次也不是火星,而是水星。但现阶段,把人送往火星,过一年半之后,再飞回来,的确不是特别难以想象。当然,月球仍然是最容易的。现阶段,大家趋向于将外星殖民理解为,让人类像在地球上一样生存,也就是在地表建设城市,种植植物。如果是这样,火星的确是第一选择,并且也不是非常困难。

但是,我们仍然需要注意,技术难度仍然非常大,许多传说中的技术未必有用。我们先来看有利因素。

有利因素

昼夜长短:与地球接近。很多人看重这一点。日照时间长,阳光比较丰富,因为基本没有云,不会像地球一样有阴天,但是会有沙尘暴。

温度:不会太热,其它近期可以到达的星球都会很热。一天最高温度是人类感到舒适的温度,摄氏20°左右。虽然夜间温度很低,但保温相对容易,就算有风也没有关系。

有大气:近期可以开发的星球中,火星是唯一有大气的,这也是人们看重的一个理由。大气对软着陆降落非常有利。大气成分主要是二氧化碳,便于以后发展种植。

重力较小:便于返航,各种工程,运输,需要的能量少。这一点,月球,水星,火星,都差不多,不过火星地表有风,早期有水流,所以比较平整,同样便于施工和运输。

土壤成分:相对与地球接近,略加改造可以种植。

有较多的水:对建立类似地球生态非常重要。现在认为火星和地球一样,有地下水,不过一般是冷冻状态,含水量也比较低。

比较大的山洞:地球早期的人类是住山洞的。由于要隔绝辐射,到火星开始恐怕也应该住山洞。山洞也便于保温。建造大量可以防辐射的建筑需要大量设备和能源,开始恐怕不行。当然月球和水星上也应该有。火星上的山洞已经找到,很大,很长。

所以,就自然环境来说,火星是最接近地球的。似乎可以直接开采地下水或者找到水冰资源。在透明穹顶内种植,可以水培或者在改造后的土壤里种植。只要能在火星土壤里种出来任何东西,就可以认为殖民应该没有问题了。

可是,要做成一件事情,并不是只有原则上是否可以就行了。我们还要看所有的技术细节。我们分析一下,过几年殖民火星,或者说,马斯克的2026年人类登录火星并返回的计划,可能存在哪些问题。

SpaceX火星计划方案

火箭:第一级:高72米,直径9米,推进剂3400吨(液态甲烷,液氧),火箭引擎28个猛禽,推力7500吨,比推330秒。第二级:星舰,高50米,直径9米,空重120吨,总重1320吨,推进剂1200吨,6个猛禽引擎,推力1200吨,比推380秒。

SpaceX的火星计划步骤(SpaceX)


过程:第一步,星舰发射,第一级回收;第二步,星舰进入地球轨道;第三步,轨道上重新加注推进剂,加注星舰返回;第四步,星舰加注后飞往火星;第五步,在火星上降落,并利用火星本地资源给星舰重新加注推进剂;第六步,星舰返回地球。

前期准备:2023年会发射一次绕月之旅,日本企业家前泽友作出钱,带上一些艺术家朋友。2024年计划发射无人火星之旅,带过去大量物资,主要是太阳能发电设备。

火星本地推进剂生产:采用萨巴捷过程,即高温高压下氢与二氧化碳通过催化反应生产甲烷。火星上二氧化碳很丰富,氢和氧则通过电解水得到。

可能的困难

先假定火箭技术,发射加注等技术问题已经解决,我们分析一下计划执行的时候会碰到哪些困难。

轨道加注带来的问题:两级星舰低轨道运送能力最大只有150吨,飞往火星的星舰入轨后,需要加注多次,加满1200吨至少要飞八次。2026年飞火的时候,计划不止一艘,而是两艘载人,两到三艘载货,那么就要短时间加注几十次,地面发射压力很大。推进剂是液态气体,需要很低的环境温度,在轨道上时间长了,维持低温的问题需要解决。由于需要留部分推进剂降落时使用,几个月的飞行过程中,低温维持也需要解决。

降落问题:假定飞行顺利,降落也按计划顺利执行。当然,这样不那么简单。以前的任务都是小探测器,最大也就一吨左右。星舰舰体加载荷有两百多吨。在地球上,降落需要平整并坚实的平台。星舰刚飞到火星的时候,当然是没有降落平台的,如何解决?星舰重心很高,如果倾倒,虽然火星重力只有地球的38%,仍然很难处理,并可能造成重大伤害。因为一旦降落,就无法移动,所以几艘星舰应该尽量靠近降落,这也会带来问题。比如,需要找一块很大并坚实的降落点,坚实的降落点基本意味着岩石表面,后期取水就困难。

能源问题:火星太阳能密度不到地球的一半,还经常有沙尘暴。所有设备,生存环境维持,推进剂生产,都需要用电,就要求一个功率很大的发电站。夜间用电意味着还需要有强大的蓄电能力,这些都意味着大量装备物资。

本地环境问题:虽然说火星本地环境对人类来说,比月球和水星好,但是仍然恶劣。大气不可呼吸,只有地球气压的百分之一,人类仍然无法直接在这样的环境中生存,每次出舱都要穿航天服,行动和工作都困难。人只能生活在密闭的星舰里。在不加压的穹顶中能否种植是未知数,如果要加压,穹顶的成本就要高很多。夜间温度到零下一百多度,星舰保温,以及昼夜温差带来的热冲击,对星舰的长期影响尚为未知。

推进剂生产问题:推进剂也就是甲烷和氧气的生产,原理上问题不大,但产能是个问题。对于人员首飞,首先是保证人员飞回来,所以飞去四到五艘,回来只需要一艘,或者两艘,如果要分散风险。长远来说,还是应该飞过去多少,就飞回来多少,要不火星上就会攒下很多星舰,可重复使用也就没有意义了。假定只飞回来一艘,那么至少要加注满,也就是1200吨,其中氧960吨,甲烷240吨。从降落到飞回时刻是一年半,也就是五百天左右。考虑到了之后总要做些准备,达到产能需要时间。那么每天至少需要生产两吨氧气,半吨甲烷。电解产生两吨氧气需要12000度电。萨巴捷过程生产半吨甲烷需要250公斤氢,电解生产250公斤氢也需要12000度电。一天太阳能板最多折合满负荷工作六小时(这已经比中国2020年太阳能设备利用小时数高近一倍),也就是太阳能板供电能力至少要达到2000千瓦。当然,这只是一道工序,甲烷生产还需要很多电,还有其它设备,制冷将甲烷和氧气冷却到液态也非常耗能。简单估算,太阳能电厂至少要5000千瓦的发电能力,对应地球上的发电能力是12000千瓦左右,需要300瓦的太阳能板4万块,约800吨,已经远超三艘货运星舰的运输能力。这只是太阳能板,还有架子,电线,电池,逆变器,控制器等。所以,哪怕达到最基本的产能要求,对能源供应的要求也很高。

食物供应问题:由于本地环境讨论过的问题,种植只能是实验性的,不可能希望种植生产食物。所以食物必须全部携带,12个人两年多。考虑水可以回收利用,每个人一天最多消耗一公斤干包装高能食物,所以12个人只需要大约10吨食物就够了,不是很大的问题。

对地通讯问题:火星到地球的通讯信道很窄,时延很大,不能实时通讯,对于习惯网络生存的高知人群(航天员们),是一个很大的挑战。项目共有两年多时间,不是很好打发。

辐射问题:星舰的辐射防护没法做得很好。现在的估计是,全程参与每个人的癌症风险增加5%,就是原来如果是30%的可能性得癌症,他们的可能性是35%。

心理问题:长期与世隔绝,幽闭,高风险,不确定,没有保障,各种不适应,没有隐私,……。

结论

火星殖民看起来不是那么难,把人送过去,过两年再接回来,原则上是能办到的,但仍然存在严峻的挑战。马斯克的计划应该也不会鲁莽执行。首先,他们会验证星舰的可靠性,先进行一些测试发射,并绕月飞行。其次,2024年无人飞行计划可以验证大量技术,如果出现重大问题,2026年不应该会送人过去,而是继续验证。我上面做的计算,及提的问题,他们应该也会想到,并找到解决办法,或者,勇敢前行。

我个人非常希望看到该计划成功实施,这样人类进入太空的步伐会大大加快。但我还是认为,把登陆和殖民计划改到月球上更好,所有问题都更容易解决。我们并不需要把太空文明变得跟地球一样。太空就是太空,月球就是月球,火星就是火星。每个星球可以有自己独立的开发模式,智慧文明存在模式。先开发月球,提高太空开发能力,资源控制能力,能源利用能力,再建造一些适合人类生物圈的环境就容易多了。

哪怕就是把火星开发成地球,月球充分开发之后,我们可以利用在月球获得的材料,在火星一号拉格朗日点L1放一个大磁铁阻挡太阳风,L2点放一个大镜子,直接将火星地表温度提高到适宜地球生物生存。月球电解产生的大量氧气送往火星,再用微生物和植物改造火星大气,直接把火星改造成一个小号陆地地球。

《大航天》全文顺序版




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