什么能阻止我们殖民火星？

人类一直梦想着冲出地球，飞向其他星球，甚至在那里定居和生活。 离我们最近的行星之一是火星，但我们能如此轻易地在这颗“红色星球”上定居吗？

去年秋天，著名实验家和现代天才埃隆·马斯克宣布，他的公司打算在 2024 年向火星发送第一次载人飞行任务，并在 2050 年之前在这颗红色星球上建立第一个自给自足城市形式的人类栖息地. 简而言之，人类将尝试建立一个定居者的殖民地，他们将成为征服火星的先驱。 一支由大约一千艘船组成的舰队 Starship 应用于运输人员和物资，以建设必要的基础设施。

言下之意，一切看起来都非常简单和现实。 我们登上一艘船，几个月后登陆“红色星球”并开始其开发，为子孙后代准备新基地，探索地球等。 然而，雄心勃勃的火星殖民计划实施起来并不那么容易。

这种尝试可能非​​常困难和危险。 在这里，我们不仅谈论飞行的技术方面，保持复苏，登陆地球，甚至建造船只本身所需的时间，或者整个任务的巨大成本。 关键是要了解地球和火星有很多共同点，但同时它们也有很多不同之处。 这些是完全不同的行星，每一个都有自己的特点。 让我们尝试更详细地了解一切。

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地球和火星真的离得很远

当涉及飞往另一个星球（在本例中为火星）时，应该考虑的第一个基本问题是旅程本身。 在我们的红色星球案例中，这既不简单也不快速。 目前，人类踏足的最远物体是我们的卫星——月球。 对它的探险花费了人类大量的时间、工作，需要许多新的解决方案和技术，巨大的财务成本甚至是人的生命。 我知道人类已经发生了变化，我们在过去二十年取得的技术飞跃确实令人惊叹。 但这就够了吗？

另外，火星之行无论是时间还是距离都会长很多，而且没有人在复苏中也很难做到。 在飞往月球的过程中，宇航员并没有进入睡眠状态。 这次旅行要短得多，消耗的能量也少。 还应考虑到这颗红色星球距地球约 56 至 401 亿公里。 当然，飞行是可能的，不是直接在太空中直线飞行，而是沿着复杂的轨迹飞行。 实际上，开往火星的飞船将沿着火星绕太阳运行的轨道行驶。 也就是首先需要进入火星轨道，然后要么拦截要么追上，至今还没有人做出准确的计算。 这意味着旅程本身将非常漫长。

当然，当火星距离地球最远时，没有人会考虑去旅行，但即使距离最短，也仍然是一个巨大的距离。 当然，鉴于火星是离我们最近的行星之一，到达那里所需的每单位质量能量比太阳系中除金星以外的任何其他行星都要少。 尽管如此，如果它在最有利的时期（在启动窗口中）开始，这次旅行仍然需要大约九个月的时间。 这需要使用霍曼的过渡机动，即使用两个引擎来改变圆形轨道。 这是目前已经用于无人火星任务的机动动作。

从理论上讲，这次飞行可以缩短到六七个月，但前提是我们逐渐增加能源和燃料的消耗。 进一步减少飞往火星的飞行时间受到当前可用技术的限制。 事实上，它每单位质量需要的能量比今天可用的化学火箭发动机要多得多。 如您所见，在进入火星轨道的那一刻就已经开始向火星移动的过程中出现问题。 而这只是冰山一角，因为登陆火星的难度也很大。

与无人任务的情况一样，由于大气层非常稀薄，因此“红色星球”大气层的空气动力学稳定性差和其他特征，解决方案使用降落伞、由充气气球罐组成的垫子，或以形式支持对于机动发动机，在载有机组人员的任务中，它们不仅会失效，而且可能是灾难性的。 应该记住，人体比迄今为止被送往火星的电子和机械设备更脆弱，对过载更敏感。 因此，有必要建立一个系统，以更温和但同样有效的方式减缓火星着陆，因为船上会有人。 复杂、耗时和昂贵的火星任务绝对不是一件容易的事，它可能非常有吸引力，但也极其危险。

246. 这是 2016 年与 2018 年火星与地球的最小距离和表观大小差异的示例。 #火星日17 PIC。twitter.com/g0sTPBh46Z

— 博士谭雅·哈里森 (@tanyaofmars) 2017 年 7 月 21 日

如果出于某种原因，人类需要从火星返回，也会出现类似的情况。 很明显，在第一次载人到这个星球的任务中，必须完成，没有人会带着永久居住在那里的想法立即飞往另一个星球。 虽然有这样的建议。 但由于 Marsiad 的发起者仍未就它应该是什么样子以及火星殖民化过程将如何进行达成一致，这种选择是可能的。

从这颗红色星球返回所需的时间至少与飞往那里所需的时间一样长。 然而，如果可以随时从月球返回，那么在火星上的停留时间应该会持续数年。 原因是它绕太阳公转。 比较快的返回，也就是至少要花六个月的时间再次旅行，用现代的方法，大约九个月，就需要等到转会窗口再次开启，也就是到地球的距离将是最小的。 不幸的是，你将不得不等待一段时间，因为火星日，也就是溶胶，几乎和地球上的一天一样长，即 24 小时 39 分 35,24 秒，但火星年，也就是火星绕太阳公转的时间，已经持续了668个太阳日，即687个地球日，约合1,88个地球年。

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火星与地球相似，但也不同

乍一看，火星与地球非常相似。 尤其是当我们在一般问题领域移动时，可以肯定地说，在太阳系中，它是继月球之后最适合生命存在的地方（也许还有金星，但这里意见分歧）。 不幸的是，最好并不意味着完美，因为火星虽然在宇宙尺度上与地球相似，但却是一个截然不同的星球。 这两颗行星之间的相似之处仅存在于一般特征上。 如前所述，火星日与地球日非常相似，这意味着生活在火星上的人不必显着改变他们的昼夜节律（仅相差 40 分钟）。 火星也有 25,19 度的倾角，而地球的倾角是 23,44 度，导致与我们星球几乎相同的季节。 然而，它们几乎是两倍长（平均 1,88 倍，因为火星年更长）。

地球和火星之间的相似之处还延伸到大气层和水的存在，美国宇航局的火星探索漫游者和欧空局的火星快车的观测证实了这一点。 然而，也仅此而已，因为这颗红色星球的大气层主要由二氧化碳（95,32%）组成，而地球的大气层主要由氮气（78,084%）和氧气（20,946%）组成。 所以很明显，在这样的大气中，如果不接收到我们生命所需的氧气，就不可能呼吸。 我们将需要特殊设备，无论是个人呼吸器（例如宇航服）还是其他产生氧气的设备。

在这里我们可以直接进入火星上生命所必需的结构，因为我们谈论的是火星上的生命，即在其表面或下方，而不是在轨道上的生命，因为那是一个完全不同的故事。

火星大气需要使用可居住的结构。 只有在地球上才有可能在没有庇护所的情况下生存（尽管以现代标准来看这很不方便），但在火星的条件下，您肯定需要某种建筑物。 这里又出现了向这些建筑物供氧的问题。 这些房子必须与制造它们的设备配合使用，因为生活在火星上的人都不想在宇航服或其他特殊套装中度过余生。 它们并不总是舒适且适合在平面上移动。

火星建筑也必须比我们目前在地球上使用的建筑先进得多。 此外，我们还得担心主要由二氧化碳组成的大气层的影响。 二氧化碳对建筑材料的影响也尚未得到很好的研究。 这些建筑在火星上不同的天气条件下会有怎样的表现？

正如我们已经提到的，由于内外大气的成分不同，火星建筑的结构不仅必须气密，而且由于这个星球的大气非常稀薄，它们还必须承受压力差。 非常好的隔热也是必需的。 按照我们的标准，火星是一个极其寒冷的星球。 在南极洲观察到的地球低温记录，即-89,2摄氏度，与“红色星球”上的日常生活相同。 因此，在最有利的条件下，夏季白天的空气温度最高可达 20 °C，但冬季夜间温度可达 -125 °C，两极温度可达 -170 °C。 也就是说，地球上创纪录的低温对于火星来说几乎是高温。 风暴在那里也很常见。

也就是说，火星的大气层有惊喜，但还不止于此。 这颗红色星球上的引力只有地球引力的三分之一左右。 因此，例如，一个 70 公斤重的人在火星上的体重约为 26 公斤（靠近两极最多可达 40 公斤）。 这对她来说可能是一个很大的优势，例如，在日常活动中。 但这样的事态发展有两个方面。 是的，我们可以说那里的人比地球上的人强得多。 她可以轻松举起在我们星球上她甚至无法移动的物体。 不幸的是，这种低重力对人体的长期影响尚未得到充分研究。 众所周知，重力降低会导致骨矿物质密度降低、肌肉营养不良、肌肉质量下降、视力受损和心血管萎缩等。 还有什么威胁我们，我们可能会及时发现。 这些会是积极的变化吗？ 人体能承受得住这样的过程吗？ 问题多于答案，至少目前是这样。

例如，在一个群体能够自我繁殖之前，我们需要确保人类胚胎能够在火星引力和充分的辐射防护下发育成健康的成年人。 也许火星上的人类将不得不以某种方式变异，以适应环境。 目前还不知道这样的物种是否能在那里生存。 由于我们谈论的是殖民化，因此必须考虑到这一点。 这是一个更加复杂和有争议的问题。 回到火星建筑，低重力将至少部分地迫使使用产生与地球相似的重力水平的区域。 尽管目前很难说它会是某种类型的离心机，还是完全不同的解决方案。

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火星不会保护我们免受任何伤害

火星的大气还有第二个更危险的方面。 由于密度低，它实际上不能抵御宇宙射线或太阳风。 在地球上，磁层也保护我们免受太阳风的影响，而火星的磁层比我们的星球弱得多，因此问题成倍增加。 这还不是全部。

由于火星没有足够强的磁场，再加上已经提到的薄层大气层，因此出现了一个全球性问题 - 到达火星表面的电离辐射比到达地球的要多得多。 仅在火星轨道上，根据火星奥德赛探测器使用MARIE仪器进行的计算，有害辐射水平比绕地球轨道运行的国际空间站空间站高出约2,5倍。 这意味着，在这种辐射（仅在轨道上）的影响下，一个人在短短三年内将经历一次接近 NASA 批准的安全限制的危险。 记住这一点也很重要。 到目前为止，还没有关于如何处理以及使用什么手段的信息。

由太阳风暴引起的质子爆炸，即所谓的太阳耀斑和日冕物质抛射，不仅在火星轨道上特别危险，而且对于直接生活在火星表面的殖民者本身也是如此。 在宇宙风特别强的阵风中，暴露在空气中仅几个小时就可能致命。

“与地球不同，火星没有内部发电机来创造一个主要的全球磁场。 然而，这并不意味着火星没有磁层。 只是它的面积没有地球那么广。” PIC。twitter.com/GSL5CUb8Xw

- 火星 - 人文最后的希望（@Mars_LastHope） 2018 年 3 月 30 日

因此，我们在火星上使用的所有建筑，不仅要密封、耐压降、配备制氧装置和泵以保持内部足够的压力，还要有效保护居住在火星上的人。在它们中，来自太阳风和电离辐射。 也就是说，它们应该是真正独特的封闭微环境，在其中维持人类生活所必需的条件。 此外，它们也应该正确放置。 这就是为什么有必要提前仔细绘制火星表面、自然庇护所、温度、天气和阳光的地图。

设计师和工程师已经面临着许多挑战和问题。 特别是，显然，至少应该在地球上建造第一批火星建筑，然后才将其运送到红色星球。 更准确地说，此类结构、避难所、实验室等的现成部件应运往火星。 这种运输产生的额外成本与建筑物本身关系不大，但主要与将它们运送到另一个星球有关，也就是说，我们还必须解决这个巨大问题的财务方面。

另一个与火星大气层、磁层和磁场相关的问题，或者更确切地说，它们实际上不存在，是对火星任务所需的电子设备的保护，更不用说殖民化或至少试图居住在这个星球上了。 早期的任务使用的电子设备比我们今天所拥有的要简单得多。

在探测器中工作的系统处于 1990 年代的技术水平。 但这并不是因为一项任务的工作持续了很多年，而且设备的设计在这段时间里老化了很多，而是因为这种类型的电子设备比现代更先进的设备更能承受火星条件（特别是辐射水平） ，还有更敏感的技术。 它们也经过了更好的测试和调整，因此可以保证执行任务所需的可靠性水平。 但对于人类船员来说，20 或 30 年前的设备可能不足以完成基本任务。 此外，这样的设备肯定没有足够的计算能力来探索这个星球。 别忘了，火星上的生活并不仅仅局限于在那里生活，还需要进行研究工作、科技实验。

另一个威胁虽然没有得到充分研究，但也体现在火星本身的表面。 我们说的是火星尘埃，其颗粒极其细小、锋利且粗糙。 再加上静电，这使得它几乎可以粘在任何东西上，还有另一个问题。 火星尘埃可能是一个真正的问题，例如，对于西装的连接。 顺便说一下，月球尘埃不像火星尘埃那么尖锐，这已经给阿波罗登月任务带来了严重的困难。 例如，这导致了仪器读数错误、仪器堵塞、某些仪器的温度控制出现问题以及密封件损坏等问题。 有时设备完全失效。 在月球表面，有大量来自此类损坏设备的废金属。 它们只是留在了卫星表面，因为这一切已经无法修复。

让我们回到红色星球的表面。 这个星球上存在的沙尘暴也可能成为火星上殖民者自身生命支持的问题。 虽然它们很少见，但它们甚至可以覆盖整个火星表面。 这不仅会阻挡阳光，例如光伏装置，这会导致供电问题，还会导致通信复杂化。

从火星发送到地球的信号大约需要 3,5 分钟才能到达，因此在最有利的条件下提出的问题的答案将在 7 分钟内收到，而且只有当行星彼此距离最近时。 当它们彼此之间的距离达到最大时，该过程将花费八倍的时间。 当行星位于太阳的相对两侧时，情况会更糟。 那么沟通将根本不可能。 例如，沙尘暴也会对机械造成直接威胁，因为火星上的喷砂甚至比地球上最强的风或飓风还要危险。

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火星上的生命不仅仅是建筑

如果我们已经开始讨论在火星上运行所必需的设备，那么问题就来了：“如果这些设备坏了怎么办？”。 在这里，我们再次进入广为人知的物流和供应领域。 为了在火星上有效运作，你需要为所有要运往火星的东西携带备件，而且会有相当多的设备。

你还需要带上足够的食物。 即使是最短的任务持续时间，即大约 2 年，也几乎不可能在如此长的时间内从地球上获取食物和水供应。 这意味着这种旅行的成本显着增加。 计算出我们每个人一天消耗了多少食物就足够了，乘以 2 年，再加上旅行时间，即又一年半，因为参与者在旅行期间也必须吃喝一些东西飞行。

最后，这个数字必须再次乘以船员人数。 实际上，火星任务不能单独执行，原因很简单，因为有些任务需要特殊知识或技能。 一个人不可能成为所有事情的专家。 不可能同时成为高素质的飞行员、天体物理学家、天体生物学家、建筑专家等。 出于心理原因，一个人无法完成这样的使命。 即使是最有弹性的人，在太空和外国星球上独自呆上 3,5 年也会严重影响他们的心理。 因此，足以确保火星任务成功的物资，即使是最短的任务，也不能简单地从地球上带走。

如果食物和水不能装进我们飞往火星的飞船（目前仅此一项就给我们带来了问题，尽管该项目“Starship“，这是由 SpaceX 进行的，为其解决方案带来了一定的希望），那么所有这些都将不得不以某种方式由殖民者在当地制造。 令人惊讶的是，火星大气的成分可以帮助解决这个问题。 虽然这只是一个猜测，但它可以工作。 问题是，正如我上面所写，火星的大气层主要由二氧化碳组成，而地球表面（即植物生长的地方）的分压是地球上的 52 倍，这给出了真正的希望他们修炼成功。

水的情况也一样。 人们普遍认为它存在于火星上，但迄今为止仅检测到它的存在。 实际上，火星任务参与者可能无法接触到水，因为水被困在岩石中。 是的，现代知识和解决方案使恢复水资源成为可能，但这可能不足以在火星上生活。 是的，必须记住，水必须以恒定的、封闭的循环存在，覆盖火星生命的方方面面。 就像那样，没有人有权无意识地花费它，因为它会威胁到殖民者的生存过程。 因此，唯一的长期解决方案是获取火星上已有的水的有效方法，并适当适应殖民者的需要和设备的维护。

当谈到燃料时，也会出现类似的问题。 如果我们想要不断地往返于地球和火星之间，那么我们必须学会就地获取必要的燃料。 这将节省任务本身的费用，并增加必要时返回地球的机会。 是的，在地球的发展过程中，您还必须以某种方式围绕火星移动并在其上生活。 从地球运输燃料是一种非常昂贵的乐趣。 这再次增加了整个任务的成本，因为需要消耗大约两倍的燃料。 然而，SpaceX 公司已经有了解决这个问题同时防止宇宙辐射的想法。 公司科学家认为，液氢可以提供极好的保护。 此外，与从火星大气中获得的二氧化碳结合，还可以作为从火星返回的燃料。

同样的能力也应该用于电力的生产和储存，这对于即使是最简单的火星殖民地的运作也是必要的，因为绝对不可能专注于一种来源，例如太阳能，因为，首先总之，在火星上，来自太阳的能量要少得多。 因此，地球上的光伏电池的功率重量比约为 40 W/kg，而地球上只有大约一半，只有 17 W/kg。 其次，返回可能需要很长时间，例如，由于已经提到的沙尘暴。 在火星上，有必要同时使用放射性同位素热电发电机、地球地热能的火星等效物和风能。 事实上，在沙尘暴期间，那里的风速会增加到大约 30 m/s。

事实上，与火星生命相关的一系列问题、疑虑和障碍可以考虑很长时间。 随着每一项关于火星的新发现，答案越来越多。 在这份材料中，我们可能只触及了冰山一角。 好消息是，世界各地的科学家不仅要回答这些问题，还要解决具体问题。 例如，在火星上获取水或种植植物就是这种情况。 此外，第一批火星定居者注定要吃纯素，因为我们不带任何动物。 虽然有可能食物的问题会根据宇航员在国际空间站的经历来决定。 管饲可以暂时解决这个问题。

地球化火星可能是一些问题的答案，但目前还只是理论上的。 科学家们现在几乎一致认为，这个过程必须从地球温度升高开始，以获得更高的大气压力和液态水。 困在火星两极冰盖中的温室气体可能有所帮助，但地球化改造的实践尚未经过周密规划，从理论到实践还有很长的路要走。

就连以一些科学界严重怀疑的激进想法而闻名的 SpaceX 也将地球化改造称为科幻小说中的技术。 但你可以试试。 或许，为了改造火星，没有必要首先执行载人任务，而是用例如可以为我们完成任务的自主设备取而代之。 人们将能够前往为他们的到来做好准备的星球。 然而，这至少在目前只是模糊的猜测，尽管这样的想法无疑已经在至少一部分人的脑海中萌芽。

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不管怎样，飞行和随后的火星殖民的想法已经征服了许多科学家、工程师和研究人员的心灵。 工作如火如荼，实验正在进行，计划正在制定中，对红色星球表面的探索仍在继续。 每天都有新发现。 谁知道呢，也许现在看起来像科幻小说的东西会在几年后成为现实。 飞往火星本身将是一种普遍现象。 你只需要相信而不是停止梦想，尝试并一步一步地走向目标。