史晓雷
目的地:火星 精选
2020-4-30 16:56
阅读:5811
标签:火星探测, 航天, 星际旅行

  按:这篇文章原载《New Scientist》2019年6月15日刊,笔者全文翻译后,上海《科学画报》做了删减,改为《造访火星,人类的星际之旅》刊发在今年4月该刊的“新知版”,感谢孙编辑加工。下文为未删节版译文,图片来自原文。正好应景近日我国刚发布的首次火星探测计划“天问一号”。 

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目的地:火星 

莉娅·克兰/文   史晓雷/译 

莉娅·克兰(Leah Crane)拥有权威的指南,告诉你如何抵达我们的近邻——火星,并安全返回地球。

当铁锈色的尘土飞扬在火星空旷的平原和深深的陨石坑时,偶尔会在某件人造物上盘旋。它也许是着陆器的太阳能电池板,也许是漫游车的轮子。我们送达火星的机器人已经告诉了许多这颗“邻居”的信息。它拥有太阳系中最高的山峰,很可能还拥有液态水的地下湖。很久以前,它不像现在是一冰冻沙漠,而是温暖、湿润之所。然而迄今人类还未亲自登临。

有一个理由导致如此:因为前往火星很困难。自1971年以来,已经有18次在火星着陆机器人的尝试,其中11次要么坠毁,要么着陆不久发生致命故障,要么彻底失联。这样我们登陆将会处于险境,因此需要更多成功的尝试。

人类登陆火星并非遥不可及。对NASA(美国宇航局)而言,这是其主要目标之一,希望用十年多一点的时间完成这一目标。SpaceX的创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)一直就说他希望在火星上建立定居点。中国、俄罗斯和印度也把目光投向了火星。

“火星热”最重要的推动因素可能是为了一时之名,但的确也有充足的科学理由。漫游车的确可以做一些了不起的工作,但它们没有人类的机敏、学识和直觉——这会激发出人类产生过的最大困惑:我们在宇宙中是孤立的吗?来自NASA的科学家珍妮弗·赫尔德曼(Jennifer Heldmann)说:“火星是回答这一问题的最佳场所。如果你想去真正了解火星,去回答那些根本问题,你必须送人到火星上去。”

为了抵达火星,从地球发射升空所需的补给品要比以往任何一次都多,要穿越数百万公里的死寂般的星际空间,然后在另一端安全着陆。这的确令人生畏,但并非不可能。下面便是我们的分步指南。

1.离开地球 

当地球和火星最近时,它们相距约5500万公里。这听起来好像很远,但仅就所需的推进系统而言,在太空中穿过这段距离对现有的火箭技术而言,并不算太大要求。 

一旦你离开地球足够远,其引力会显著减小,你便可以用较小推力抵达火星。整个航程大概需要9个月,这只比宇航员在国际空间站(ISS)停留的标准时长——6个月长一点。我们不需要设计新型发动机,或担心像太阳帆这样的东西,后者加速太慢了。我们需要的只是一枚指向正确方向的大火箭。 

几十年的太空探索已经告诉我们,最关键的问题是如何制造大型火箭。目前有7种火箭可以实现抵达火星。其中最强大的是SpaceX公司的“重型猎鹰”运载火箭,它可以运送18.5吨物资。这足以胜任任何着陆器或漫游车,但是载人抵达所需物资会更多。一个6人的航天小组,搭载食物和水往返火星,至少需要20吨物资。2017年NASA一份报告估计,一旦把科学器材和保障宇航员在火星表面存活的装备(比如一台发电机和一处住所)一并考虑的话,物资总重将会达到100吨。 

这并非不可想象。目前两枚火箭正在研制,NASA的“太空发射系统”(SLS)和SpaceX的“大猎鹰火箭”(BFR)要比以往发射的任何火箭都更强大。前者至少可以运载45吨物资抵达火星,后者搭载量预期可以超过100吨。

句话说,要建造更大、更强的火箭目前明确,而且我们可以在载人之前运送一些装备上去以减轻载荷。科罗拉多大学波尔德分校的布鲁斯·杰克斯基(Bruce Jakosky)说:“其余的才是困难所在。” 

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图注:SpaceX的猎鹰号重型火箭足以抵达火星,但它不能承载载人任务所需的所有物资。

2.运送

看起来人类不得不去适应离开地球生活。毕竟,国际空间站将永久存在。但是随着太空探索的进展,访问国际空间站就像在自家后花园露营一样。你可能觉得自己已经出门在外,但你的父母仍会给你带来三明治。如果你要去火星,你需要带上自己的“三明治”。 

你要担心的不仅仅是食物。如果航天器出了故障,你必须有备件和工具去修复它。如果你病了,则需要对症的药物。考虑到额外的重量意味着更多燃料和更多费用,因此不可能携带上所有备用的物资。你要做什么呢? 

部分解决办法是带一台可以按需生产部件的3D打印机。国际空间站已经拥有一台,NASA也已正在试验。因此你的火星之旅可能会带上一台打印机和原材料,而不是一堆可能用不上的零部件。 

储药柜比较麻烦。我们在空间站上的经验表明,细菌可以在航天器中繁衍。此外研究表明,在模拟微重力环境下生长的细菌能演化出对广谱抗生素的抗药性,而且这种抗药性比在地球上保持更长时间。目前已开展了一些项目减缓这种情况,包括在一些可能被弄脏的表面涂上抗菌层,比如洗手间的门。还有一种建议是,宇航员可以带一些未加工的药物配方,而不是完全合成好的药物,以便可以按需制造药物。一种可以自动合成简单药物的原型系统已在太空展开测试。 

无论宇航员是否生病,他们无疑会受到太空旅行的物理影响。没有地球引力的牵拉,肌肉和骨骼开始衰退。研究表明,即使每天锻炼,宇航员在两周之内便会损失20%的肌肉量。好消息是在火星上影响不大,因为火星的引力远小于地球,在这颗红色星球上行走容易得多。当然,我们还是想尽可能抵消这种影响。宇航员很可能要每天进行数小时的锻炼,并配有特制的饮食,还必须穿增压服。 

除了失去了地球的引力外,宇航员无法受到地球磁场的庇护,因为地球磁场可以屏蔽有害的宇宙射线。NASA将男性宇航员的辐射暴露剂量限制在大约286000张胸透X片的量,对女性宇航员而言要再低20%,因为她们的身体对辐射损伤更敏感。执行登陆火星任务的宇航员如果按照最短的往返路线,将会接受最大极限60%的辐射剂量,这没有考虑在火星表面停留的时间。芝加哥阿德勒天文馆的露西安·沃克维茨(Lucianne Walkowicz)说:“就目前而言,每一项任务必须去评估其目标是否会与宇航员的健康标准相违背。对目前这种远程任务而言,没办法去评估;但若不实际做这些任务,就没有办法开展实验去发现究竟风险如何。” 

这在心理健康方面也有风险。NASA宇航员尼克尔·斯托得(Nicole Stott)说:“距离地球如此遥远,远到当地球成为天空中另一个光点时,可能会成为心理上的挑战。目前我们所做的一切,就发生在我们可以看到的窗外的地球上。它不仅仅漂亮,而是你与它能产生关联。只要你能看到它呈现给你的,便能获得这种关联。”失去它的话,你需要一个特定的人来填补这种关系。 

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  图注:宇宙射线是宇航员前往火星可能面临的最大危险。图片是靠近德国达姆施塔特市的反质子与离子研究装置,这里可以产生这类射线并研究其影响。

3. 送谁前往

我们送往火星的人将必须满足目前宇航员的所有要求,包括紧张的体能和心理测试。但是他们的技能将不止于此。在前往火星的征程中,没人能退出团队,也没人能加入进来。飞船上的少数几个人将全权负责执行任务。 

某些角色,比如工程师、医生和科学家肯定不可或缺。但是寻找完美的宇航员没有意义,而应该是寻找完美的宇航员团队。夏威夷大学金·宾斯特德(Kim Binsted)说:“你试图去配备一个工具箱,你不能全部装上锤子,即使它们都是世界上最好的锤子。” 

作为“夏威夷太空探索模拟与仿真”项目的首席科学家,宾斯特德清楚她在讲什么。在该项目中,一组4-6人的团队犹如生活在火星上。参与者一次会待数月,当他们出来时会穿上模拟的太空服,然后忍受20分钟与“地球”交流的滞后间隔。 

宾斯特德说,有种情况总会导致冲突,就是团队中的一人或两人与众不同时。这种不同可以是性别、国籍,甚至是音乐偏好。一个三男一女的团队,或者一人整天想怒吼“金属乐队”的歌曲,可能会令人崩溃,因为团队完全无法协调一致。“只要你想拥有一些多样性,你就会越放任自己”,宾斯特德说。 

团队任务的准备工作,很可能包含接受比目前宇航员更多的团队训练。团组成员必须学会应对他人的性格怪癖,以避免产生或许是非常小的个人冲突。NASA的心理学家詹姆斯·皮卡诺(James Picano)说:“在严苛的环境下,随着时间的积累,土丘也能变成山岳。他们必须作为一个团队参加训练,作为一个团队生活在一起,模拟那些环境。” 

4. 在火星上着陆和生活 

经过9个月穿越太空,旅行者就要面临这趟行程中最危险的阶段了——着陆。在火星上着陆的困难在于那里几乎没有大气,平均密度仅有地球大气的1/160。这便意味着降落伞在航天器减速时无法像在地球上一样产生足够的拖拽力。我们可以使用反冲火箭去减速,就像当年阿波罗宇航员登陆月球一样。不过,因为火星上的重力要比月球上强,我们将需要更多的反冲火箭。这意味着我们极可能需要一种兼反冲火箭与(上方)拖拽物的综合设计。 

该方法对1吨重的机器人奏效了,但是对更重的探测器就不那么容易了。这便是为什么研究人员正努力探寻改进着陆方式的原因。 

一种是NASA的超高音速气动减速器,它由一系列使用凯夫拉纤维增强组织制成的着陆装置组成,可以形成一个比降落伞更坚固的充气结构,足以产生更大的缓冲力。NASA已经开展测试一些小型的减速器模型。 

然而,真正的困难不在于我们如何着陆,而是在哪里着陆。靠近两极的某处显然是理想之所,因为在那里我们知道存在地下水冰,也可能拥有液态水的地下湖。它们是至关重要的资源。人类会消耗大量的水,况且水又太重,因此能带到火星上的非常有限。此外,许多人提议登陆火星任务中应包括利用水作为火箭的燃料,将宇航员送回地球。 

问题在于极地区域会冷至零下195度,容易产生风暴,这会使着陆更加困难。亚利桑那州立大学的塔妮娅·哈里森(Tanya Harrison)说:“火星的北部平原异常平坦、无聊,并非令人兴奋的着陆处。”赤道区域大部分在零下100度以上,最高可达零上20度,而且那里有更充足的阳光——宇航员可以充分利用太阳能,极少遭遇风暴,还有各种有趣的地形可供探索。只是这里没有多少可利用的水(即使有的话)。

真是一个棘手的问题,不过对第一次载人着陆而言,最简单的办法是着陆在可预期的某处,那里漫游车已经勘探过(参考“漫步火星图”)。一旦着陆后,宇航员将会停留一段时间。即使他们不建一个永久基地的话,他们也至少要花费数月以等待火星再次冲日(地球与火星同在太阳一侧,且三者处在同一直线——译者注)时返回地球,这样返程才会大约是几个月而不是数年。若不建立基地,便不会有到火星旅游的机会。 

基地必须应对许多奇怪的火星致死宇航员的问题。除了前面提到的极寒环境外,还会时常面临被小陨石击中的风险,这些陨石在火星极其稀薄的大气层中不会燃烧殆尽。还有来自太空的辐射,因为火星没有磁场故无法屏蔽。如此稀薄的大气层,产生的大气压极其小,与外太空无异(见附图)。

规避这些风险的最简单办法或许就是将宇航员送上火星的航天器。但航天器本身可能被用作狭仄的起居室。另一个选择是带上他们在火星上所需的住所,或是用于建造住所的材料。NASA正在开展一项设计3D打印栖息地的竞赛,已有许多作品入围。其中一些团队在设计中使用了着陆器的部件,不过他们也需要别的建筑材料——这会增加航天器的发射载荷。如果参赛团队可以利用火星表面的既有资源,可获得额外加分,这已经激发了一些计划,比如用压缩的火星土壤制砖,然后建成穹顶状住所。NASA已经与几家公司签了合同,它们正在研究一种制砖的最佳途径,可以利用精心设计的火星粉尘的仿制品作为原料。但即使如此,在火星上建造定居点仍将需要提前向那里发送包装好的建筑材料。 

把火星地壳本身作为天然的辐射防护屏或许可行。一项提议是,人类可以把栖息地安置在由远古火山熔岩形成的圆柱形溶洞里。通过卫星图像,我们已经看到火星上这种山洞的入口,并研究了它们相似的结构。在地球上,这些溶洞通常宽约30米。但研究表明,在火星上由于重力微弱,那些溶洞会比地球宽8倍,并绵延数英里。总有一天,它们将容纳一整街的“火星居民”。 

勇敢的宇航员还有其他急迫的需求要去考虑。食物可以冷冻干燥,种子可以包装,如果不能从火星大气中提取氧气,则氧气需要罐装带去。 

但是水并不容易获取。即使宇航员着陆在富含地下水的位置,他们仍需要携带沉重的挖掘设备才能获取水资源,而且并不能保证取出地面后马上适合饮用。哈里森说:“关于火星上的冰我们所知甚少,你别指望那里有什么好喝的水,因为我们真的不知道。”即使那里的水适合饮用,也必定会充满微尘。因此,宇航员将不得不携带复杂的过滤设备前往。 

宇航服也是类似:它们必须有极佳的防尘性能,尤其是火星土壤充满了吸入或吞食后可致命的化学物质。NASA已开始研制下一代宇航服和特殊涂层材料,会解决粉尘问题。哈里森说:“在火星上没有误差余地,一切都必须奏效,否则你会毙命。” 

5.回家了 

有些人可能希望,从长远看我们会在火星永久定居。但是目前所有严肃的火星任务计划都包括将宇航员带回地球。杰克斯基说:“那里有非常严酷的自然环境,我不知道我们为什么想去那儿生活。”返回地球意味着宇航员需要忍受再一次发射、又是9个月的征程、再一次着陆。幸运的是,对第二次而言会容易些。火星稀薄的大气层及其微重力环境使得进入太空并不困难。旅程还是一样漫长,不过熟悉的地球家园的蔚蓝光芒将逐渐变亮。着陆地球比较简单,降落伞和地球浓密的大气层会帮助实现。 

当宇航员从返回舱伸出头探视时,他们会被海洋中的冷水溅湿,会被吵杂的人群包围。他们就要回家了。对火星而言,飞旋的尘土已将他们的脚印覆盖,但居住舱仍将停留在那里,准备、等待着下一批客人的到访。

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图注:地球与火星的对比数据

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