未来的火星是怎样的? 人类宇航员能否承受在火星呼吸

未来的火星是怎样的呢?美国火星学会主席罗伯特 · 祖布林 (Robert Zubrin)称,火星是一个非常奇妙的世界,拥有令人叹为观止的风景,拥有珠穆朗玛峰 3 倍高度的壮观山脉,拥有比美国大峡谷深 3 倍、长 5 倍的峡谷地形,以及广阔的冰原和延伸数千公里的干涸河床。未被人类涉足的火星表面可能为人类带来无法想象的财富和资源,科学家还思考未来人类是否能在火星繁衍后代……

祖布林作为一位资深的火星领域研究专家,解释了为什么人类对火星的探索是未来太空探索的重要环节,只有人类才能看到、感受和触摸这颗红色星球,凝视思考周围的环境,并依据自己所获得的发现做出论断,虽然科学家从太空任务中获得了丰富的太空知识,但在人类亲身前往火星展开探索之前,许多火星谜团一直未被揭晓。

未来的火星

在人类还未发射任何宇宙飞船抵达火星轨道之前,科学家们就在思考人类探索火星的各种可能性,其中一位科学家是已故的沃纳 · 冯 · 布劳恩 (Wernher von Braun),他是一位火箭设计师,二战之后移居美国。布劳恩确信载人火星任务不仅必要,而且是可以实现的!在上世纪 40-50 年代,布劳恩经常公开谈论他对人类登陆火星的热情和期待,甚至自己对未来的火星探险进行了详细规划。在布劳恩的《火星计划》一书中,他强调称,未来的火星旅程需要一支强大的宇宙飞船舰队,正如前美国宇航局信息专家安妮 · 普拉托夫 (Annie Platoff)所解释的——如果哥伦布仅带领一艘船远航,而不是三艘船组建的一支编队,他可能永远不会将自己的发现带回西班牙,星际探索也是如此,我们必须建立一支大规模的太空编队!

布劳恩设想建立一支由 10 艘飞船构成的太空舰队,至少能乘载 70 人前往火星,7 艘飞船将作为客运飞船,另外 3 艘将运送货物,包括有翼登陆器,它能将宇航员运送到火星表面。

在上世纪 50 年代,布劳恩曾警告称,由于存在各种未知因素,这趟火星旅程在近一个世纪内都不可能实现。然而十年之后,他得出一个完全不同的结论,他于 1965 年 11 月在《宇航&航空杂志》上发布文章称,载人火星任务将在 1982 年成为可能。同时,他还敦促相关政府部门将火星任务视为高度优先事项。

布劳恩说:“人们可能会发现我对未来的太空计划非常乐观,即使一些悲观主义者经常阐明他们的悲观预测,认为不断发展的科学技术将人类带入‘太空深渊’。我坚信未来不久人类将登陆火星表面,事实上,我们确实应当抓紧时间在火星表面建立一个立足点,这里可以作为一个太空基地,便于人类向更遥远的星球展开探索。”

1969 年,布劳恩向美国宇航局做了一次正式报告,他详细解释了自己的火星探险计划,由于他参与了 “土星 5 号”火箭研发工作,受到美国政府官员的高度评价。“土星 5 号”火箭是一款大型火箭,曾携载美国宇航员抵达月球。在布劳恩的火星探索演讲中,他表达了自己的信念——下一个太空前沿是人类对行星的探索。当然,当 1982 年来到时,全球也未有人类登陆火星表面,但是布劳恩的理论令人振奋,他的观点深深地影响着美国宇航局人类星际任务的长期计划,他计划使用像航天飞机一样的可重复利用的太空渡船,在轨道进行装配集合,组建多艘太空飞船抵达火星。

人类探索还是机器人探索?

即使 1977 年布劳恩逝世,科学家们对火星探索的热情仍未减弱,除了火星探索任务令人兴奋之外,科学家们强烈希望将人类送到火星的主要原因非常简单:人类拥有机器人不具备的能力,即使现今人类已掌握先进技术,但机器人的行为能力仍然是有限的,机器人只能依靠人类提供精准、详细的指令,让它们自己思考或者思维运算。例如 “勇气号”、“机遇号”火星车都拥有机械臂,可以采集岩石和土壤样本,随载的科学仪器立即分析这些物质,使用相机拍摄高分辨率图像。但是机器人不能看到或者感触到自己发现的样本,也无法自己做出判断,它们没有人类的智慧、直觉或者推理能力,也没有足够帮助他们做出决定和结论的生存经验,如果它们周围环境迅速发生变化,就会受别人的摆布控制。然而,人类天生具有 “优胜劣汰”的竞争观念,他们会适应环境变化而顽强地生存下来,人类的品质和行为能力是与生俱来的。

从 “海盗 1 号”和 “海盗 2 号”探测器开始,搜寻远古和现今火星生命几乎成为所有太空任务中的首要任务,近年来科学家发现火星表面曾存在大量的水资源,这一发现非常重要,从而证实发现火星远古和现今有机生命迹象的可能性非常大,就像祖布林解释的那样,对于生命探索,人类比机器人做得更好。

经过多年勘测分析,目前火星表面不太可能存在生命,对火星生物学的研究将主要搜寻化石证据,对于搜寻火星生命化石而言,勘测范围有限、较长通信时间延迟的小型机器人探测车是非常糟糕的工具,生命化石搜寻工作需要机动性、敏捷性,同时具备利用直觉判断追踪微妙线索的能力,人类研究员具有 “岩石猎犬”的敏锐嗅觉,非常适合搜寻火星化石证据。如果要探寻火星的秘密,那些不畏沉闷太空旅行的人们需要前往火星进行探索。

科学家对于何时以及如何执行火星任务的观点并不一致,但大多数人认为,包括关于火星生命的许多问题,只有当人类能够真正登陆火星时才能得到答案。此外,科学家迈克尔 · 杜克 (Michael Duke)称,人类完成火星探索任务所需时间较高效。尽管载人火星旅行需要更长的时间进行规划和实施,相比之下机器人勘测更容易实现,但是杜克说:“更科学高效的工作将在更少的时间内完成,人类在火星上可能进行 1-2 年的科学勘测,机器人则需要 100-200 年来完成。”

一次漫长而危险的航行

在首次火星探险迈出大胆一步的人类宇航员不会对潜在的风险视而不见,早在他们登上宇宙飞船之前,他们就知道自己可能永远无法返回地球。在美国宇航局一份研究报告中,作者史蒂芬 · 霍夫曼 (Stephen Hoffman)和大卫 · 卡普兰 (David Kaplan)非常清楚地说明了火星探索的风险性。

人类对火星探索将是一项非常复杂的任务,该计划将证实人类有可能离开我们的家园,向太阳系其他行星展开探索。虽然太阳系对于整个宇宙而言非常渺小,但对人类而言却是一片很广阔的探索空间,毕竟当前人类科技技术有限,离开地球后再次成功返程的能力较差。例如从地球向火星发射探测器需要几年时间,而且发射窗口时间非常短暂,通常每隔 26 个月才出现一次。

目前,载人火星任务的确切时间仍未确定,大多数专家表示,载人火星任务可能将在 2025 年完成,在此之前必须克服许多障碍。宇宙飞船需要运载宇航员、科学设备、食物和仪器,这意味着它们将比之前的任何航天器重 30 倍左右,这样的飞船着陆将面临着艰巨挑战,着陆时机器人或许能承受飞船在火星表面弹起几十米的高度,但是人类宇航员能否承受呢?

未来人类还需要考虑是否在火星表面建立一个合适的着陆基地,便于人类 “安营扎寨”,由于火星总面积超过 2 亿平方英里,这意味着宇航员仅能探索一小部分。如果一艘宇宙飞船无意中降落在荒凉地区,距离计划勘测的地区数千公里,那么整个任务的大量资源将被浪费。

事实上,人类火星之旅是大的风险是太空旅行过程,漫长的太空旅行对于宇航员而言是非常艰难的,他们将体验微重力或者失重的感觉,虽然人体漂浮在空中非常有趣,但它会导致严重的身体问题。在过去的太空旅行中,宇航员会出现方向迷失、头晕、局部充血、头痛和恶心,几个月暴露在微重力下会出现严重的疾病,其中包括:骨质流失导致的骨骼脆弱、肌肉萎缩、肾结石和其他严重的身体问题。近年来,科学家一直在研究如何对抗失重环境,例如:提供人工重力源,或者宇航员太空旅程锻炼身体。然而,在此期间微重力仍是远途太空旅行的最大风险之一。

此外,在漫长的太空旅程中将面临着数以万计的微陨石穿过太阳系,彗星和小行星的碎片可能像一粒沙子那样小,也可能像一个高尔夫球,它们不断地从宇宙各个方向以时速 10 万英里的速度在太空中穿行,一颗飞往火星的宇宙飞船可能会在旅程大部分时间里遭受微陨石的严重破坏。深太空中还面临着太阳耀斑和宇宙射线引起的高水平辐射,在地球上,高空磁场形成一个强大的防辐射保护罩,而在浩瀚的宇宙则没有这种保护效果,因此太空飞船的外壳必须非常坚硬结实,才能抵抗微陨石碰撞,同时,宇宙飞船还必须有某种防护罩,可以吸收或者阻挡大量的太空辐射,如果该辐射进入飞船,不仅会损坏和摧毁飞船及其科学仪器,还可能对身体造成伤害。

红色星球的危险

假设宇航员经历 6 个月的危险旅行幸存下来,那么一旦抵达最终目的地,所承受的风险将大大降低,他们着陆时可能会在火星表面遭受一些微陨石撞击,但不会受到来自四面八方的陨石撞击。同时,虽然火星辐射剂量高于地球,但与深空辐射相比,火星可作为保护屏障,减少登陆火星的宇航员所遭受的极端辐射。由于火星重力比地球弱很多,宇航员仍能感受到火星低重力影响,但他们将不再需要忍受失重状态。但当他们第一次走出太空飞船时,仍然有许多新的风险,他们将经历人类从未遭遇过的恶劣环境,而合适的宇航服是唯一能拯救他们生命的装备。

人类造访火星面临的最大风险之一是火星的低压大气,气压使人体血液和体液保持流动,当温度过低时,体液会沸腾,迅速失去热量,然后蒸发导致快速死亡。美国马里兰大学空间系统实验室大卫 · 阿金 (David Akin)教授描述了一次模拟经历:“我记得听一位美国宇航讲述了一个实验,在该实验中他面临突然、暂时的压力损失,此时他首先感到口水在舌头上沸腾,然后自己就晕厥,为了保护宇航员不受危险低压大气影响,他们必须对航天服进行增压。同时,还必须佩戴专门的呼吸设备,因为火星大气中的二氧化碳含量极高,氧气和氮气含量较低,如果宇航员呼吸了火星空气,很可能在短短 15 秒内失去意识,不久就会死亡。”

火星表面极端气候和恶劣天气是另一个危险,因为火星气候非常寒冷,宇航服必须加热处理。然而,始终保持舒适的体温非常困难,因为火星表面温度可能比表面之下低 20-30 摄氏度,如果宇航服设计考虑到这一点,那么宇航员上半身可能被冻僵,而他的腿部会被烧伤。此外,火星表面灰尘非常多,细小的尘粒会悬浮在大气层,目前科学家们并不清楚火星灰尘是否有毒,但他们相信存在这种可能性。如果火星灰尘有毒,将影响宇航员的视力和呼吸能力。如果人类遭遇了猛烈的火星尘暴,很可能会丧生于此,在这种猛烈尘暴中,时速数百公里的大风能将粉尘在大气中盘旋数周时间。

为火星勘测者设计新型太空服是一个复杂而漫长的过程,可能需要几年时间,美国宇航局宇航服设计工程师乔伊 · 科斯莫 (Joe Kosmo)称,与以往太空任务中的宇航员不同,造访火星的宇航员可能会在那里生活、工作几年时间,因此尽可能避免穿着笨重的宇航服,即使在火星低重力环境下,宇航服的重量仍会超过 45 公斤,而且宇航员穿着笨重的宇航服很快会筋疲力尽。美国宇航局菲尔 · 韦斯特 (Phil West)称,理想的宇航服重量较轻,宇航员能够适应并穿着很长时间,我们知道如何制造适合火星环境的宇航服,但没有任何一套设计方案能有效地操作,像这样的宇航服必须有灵活的连接部件和易于更换的配件,它的重量会很轻,大概 13-18 公斤,具有很强的耐用性,可供宇航员完成几十项任务。

科斯莫说:“尽管当前还未设计出这种火星宇航服,但是相应的技术和材料确定存在,当前存在的问题是宇航服在穿着时如何发挥效力,第一批登陆火星的宇航员会像地质学家一样行事,他们将努力寻找生命和水的相关证据,他们会四处探索,实地观察岩石和钻取样本,他们需要一套非常结实的宇航服,目前美国宇航局正在测试几个不同模型,在达到所有必备条件之前,是不会派遣人类登陆火星。”

“火星方向”

在遥远的未来,很可能会有太空游客乘坐超音速飞船抵达火星,在火星度过一个星期的假日,之后再返回地球。但就目前来看,以上情节仅出现在科幻作品,基于当前的科学技术,宇航员需要太空航行两三年才能抵达火星,由于人类的火星旅行很漫长,不可能携带充足的食物、补给、水、燃料和装备,宇航员将不得不就地取材,就像早期拓荒者的边疆生活一样。

以土地为生,利用当地资源,这不仅仅是美国人在西部地区的生活方式,也是在地球开拓求生的方式,也是人类未来适应火星的生活方式……

本地资源对于未来人类开发火星是至关重要的,祖布林对人类火星探索重要性的信念激励他创建自己的任务计划,基于智能应用,他将该任务计划命名为 “火星方向”。

基于应用 “当地资源”的理念,祖布林计划让载人火星任务变得更简单、成本更低、成功率更高。一组宇航员将进行为期 6 个月的火星旅行,在火星停留大约一年半时间。两艘着陆器将完成此次太空旅行,一艘形状像巨大金枪鱼的着陆器负责将宇航员送到火星,另一艘着陆器将负责运送他们返回地球。

同时,在远程计算机控制机器人的帮助下,宇航员将在火星循环利用氧气和水,并将地球带来的成分与火星大气层中的二氧化碳结合起来,制造自己的燃料,依据祖布林的计划,未来将让更多的探险者前往火星,在陆地建立生活基地,建造温室种植各种食物,最终创建一个繁荣的火星殖民基地。

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