什麼可以阻止我們殖民火星？

人類一直夢想著衝出地球，飛到其他星球，甚至在那裡定居和生活。 離我們最近的行星之一是火星，但我們能如此輕鬆地殖民“紅色星球”嗎？

去年秋天，著名實驗家和現代天才埃隆·馬斯克宣布，他的公司打算在 2024 年向火星發送第一次載人飛行任務，並在 2050 年之前在紅色火星上建立第一個以自給自足城市形式存在的人類棲息地行星。 簡而言之，人類將嘗試建立一個定居者的殖民地，他們將成為征服火星的先驅。 一支由大約一千艘船組成的艦隊 Starship 應用於運輸人員和物資，以建設必要的基礎設施。

換句話說，一切看起來都非常簡單和現實。 我們登上一艘船，幾個月後登陸“紅色星球”並開始其開發，為後代準備新基地，探索地球等。 然而，雄心勃勃的火星殖民計劃不會那麼容易實施。

這樣的嘗試可能非常困難和危險。 在這裡，我們不僅在談論飛行的技術方面，在復蘇中停留，在地球上著陸，甚至在建造船隻本身所需的時間，或者整個任務的巨額成本。 關鍵是要了解地球和火星有很多共同點，但同時它們也有很多不同之處。 這些是完全不同的行星，每個都有自己的特點。 讓我們嘗試更詳細地了解所有內容。

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地球和火星相距甚遠

當涉及飛往另一個星球（在這種情況下是飛往火星）的飛行時，應該考慮的第一個基本問題是旅程本身。 在我們的紅色星球案例中，這既不簡單也不快速。 目前，人類踏足的最遠天體是我們的衛星——月球。 對它的探險花費了人類大量的時間和工作，需要許多新的解決方案和技術，巨大的財務成本甚至是人的生命。 我知道人類已經發生了變化，我們在過去二十年中取得的技術飛躍確實令人驚嘆。 但這足夠了嗎？

另外，火星之旅的時間和距離都會長很多，沒有一個處於復蘇狀態的人也很難過。 在飛往月球的過程中，宇航員並沒有進入睡眠狀態。 這次旅行更短，消耗更少的能量。 還應該考慮到這顆紅色星球距離地球大約 56 到 401 億公里。 當然，飛行是可能的，不是直接在太空中直線，而是沿著複雜的軌跡。 在實踐中，一艘開往火星的船將在行星繞太陽運行的軌道上跟隨它。 也就是首先要進入火星軌道，然後要么攔截，要么追上，目前還沒有人做出準確的計算。 這意味著旅程本身將非常漫長。

當然，火星離地球最遠的時候，沒有人會考慮去旅行，但即使距離最小，它仍然是一個巨大的距離。 當然，鑑於火星是離我們最近的行星之一，到達那裡所需的單位質量能量比太陽系中除金星以外的任何其他行星都要少。 儘管如此，如果旅行在最有利的時期（在開始窗口中）開始，則仍需要大約九個月。 這取決於使用霍曼的過渡機動，即使用兩個引擎改變圓形軌道。 這是目前已經在無人火星任務中使用的一種機動方式。

理論上，這次飛行可以縮短到六七個月，但前提是我們逐漸增加能源和燃料消耗。 進一步減少飛往火星的飛行時間受到當前可用技術的限制。 事實是，它每單位質量需要的能量比目前可用的化學火箭發動機要多得多。 正如你所看到的，在進入火星軌道的那一刻，移動到火星過程中的問題就已經開始了。 而這只是冰山一角，因為登陸火星也非常困難。

與無人駕駛任務的情況一樣，由於大氣非常稀薄，因此“紅色星球”大氣的空氣動力學穩定性差和其他特性，使用降落傘的解決方案，由充氣氣球罐組成的墊子，或形式的支撐對於機動引擎而言，如果執行載有人類機組人員的任務，它們不僅會失敗，而且可能是災難性的。 應該記住，與迄今為止已被送往火星的電子和機械設備相比，人體要脆弱得多，對過載也更加敏感。 因此，有必要建立一個系統，以更溫和但同樣有效的方式減緩火星著陸，因為船上會有人。 複雜、耗時且昂貴的火星任務絕對不是一件容易的事，它可能非常有吸引力，但也非常危險。

246. 這是 2016 年與 2018 年火星與地球的最小距離和表觀大小差異的示例。 #火星日17 PIC。twitter.com/g0sTPBh46Z

— 博士坦尼婭哈里森 (@tanyaofmars) 2017 年 7 月 21 日

如果出於某種原因，人類需要從火星返回，也會出現類似的情況。 很明顯，在第一次載人任務到這個星球時，它必須完成，沒有人會立即帶著永久居住在那裡的想法飛到另一個星球。 雖然有這樣的提議。 但由於 Marsiad 的發起者仍未就它應該是什麼樣子以及火星殖民化過程將如何進行達成一致，因此這種選擇是可能的。

從這顆紅色星球返回所需的時間至少與飛往那裡所需的時間一樣長。 但是，如果有可能隨時從月球返回，那麼在火星上的逗留時間應該會持續，甚至數年。 其原因是它圍繞太陽的軌道。 比較快的返回，也就是至少要花六個月的時間再去旅行，用現代的方法，大概九個月，就需要等到中轉窗口再次打開，也就是到地球的距離是最小的。 不幸的是，您將不得不等待一段時間，因為火星日，即 sol，幾乎與地球上的一天一樣長，即 24 小時 39 分 35,24 秒，但火星年，即火星繞太陽運行的時間，已經持續了 668 個太陽日，即 687 個地球日，也就是大約 1,88 個地球年。

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火星與地球相似，但也不同

乍一看，火星與地球非常相似。 尤其是當我們在一般性問題領域中移動時，可以肯定地說，在太陽系中，它是月球之後生命最好的地方（也許還有金星，但在這裡意見分歧）。 不幸的是，最好並不意味著完美，因為火星雖然在宇宙尺度上與地球相似，但卻是一個非常不同的行星。 兩顆行星之間的相似之處僅存在於一般特徵上。 如前所述，火星日與地球日非常相似，這意味著生活在火星上的人不必顯著改變他們的晝夜節律（差異僅為 40 分鐘）。 火星的傾角也為 25,19 度，而地球的傾角為 23,44 度，與地球的季節幾乎相同。 然而，它們幾乎是兩倍長（平均為 1,88 倍，因為火星年更長）。

地球和火星之間的相似之處還延伸到大氣和水的存在，美國宇航局火星探測車和歐空局火星快車的觀測證實了這一點。 然而，到此為止，因為這顆紅色星球的大氣層主要由二氧化碳（95,32%）組成，而地球大氣層主要由氮（78,084%）和氧（20,946%）組成。 所以很明顯，在這樣的大氣中，如果沒有獲得我們生命所需的氧氣，就不可能呼吸。 我們將需要特殊設備，無論是個人呼吸器，如太空服，還是其他產生氧氣的設備。

在這裡，我們可以直接了解火星上生命所必需的結構，因為我們談論的是火星上的生命，即火星表面或之下的生命，而不是軌道上的生命，因為那是完全不同的故事。

火星大氣層需要使用可居住的結構。 只有在地球上才有可能在沒有住所的情況下生存（儘管按照現代標準來說這很不方便），但在火星的條件下，你肯定需要某種建築物。 這裡再次出現了向這些建築物供應氧氣的問題。 這些房子必須使用製造它們的設備，因為生活在火星上的人不會想在太空服或其他特殊套裝中度過餘生。 它們並不總是舒適且適合在平坦的表面上移動。

火星建造也必須比我們目前在地球上使用的先進得多。 此外，我們將不得不擔心主要由二氧化碳組成的大氣的影響。 二氧化碳對用於建築的材料的影響也尚未得到很好的研究。 這些建築物在火星上的不同天氣條件下會如何表現？

正如我們已經提到的，由於內部和外部大氣成分的不同，火星建築物的結構不僅要密閉，而且還要承受由於這個星球非常稀薄的大氣造成的壓力差異。 非常好的隔熱也是必要的。 按照我們的標準，火星是一個極冷的星球。 在南極洲觀測到的地球低溫記錄，即-89,2攝氏度，與“紅色星球”上的日常生活相同。 因此，在最有利的條件下，夏季白天白天的空氣溫度最高可達 20°C，但冬季夜間溫度可達 -125°C，極地溫度可達 -170°C。 也就是說，火星在地球上的創紀錄低溫幾乎是熱量。 那裡的風暴也很常見。

也就是說，火星的大氣層有驚喜，但這還不是全部。 這顆紅色星球的引力只有地球引力的三分之一左右。 因此，例如，一個 70 公斤重的人在火星上的重量約為 26 公斤（靠近兩極最多 40 公斤）。 例如，在日常活動中，這對她來說可能是一個很大的優勢。 但這樣的事態發展有兩個方面。 是的，我們可以說那裡的人會比地球上的人強得多。 她可以輕鬆舉起地球上她甚至無法移動的物體。 不幸的是，這種低重力對人體的長期影響尚未得到充分研究。 眾所周知，重力降低會導致骨礦物質密度降低、肌肉營養不良、肌肉質量下降、視力受損和心血管萎縮等。 還有什麼威脅我們的，我們可能會及時發現。 這些會是積極的變化嗎？ 人體能承受這樣的過程嗎？ 問題多於答案，至少目前是這樣。

例如，在一個殖民地能夠自我繁殖之前，我們需要確保一個人類胚胎能夠在火星重力和足夠的輻射防護下發育成一個健康的成年人。 也許火星上的人類將不得不以某種方式發生變異，以適應環境。 目前還不知道這樣的物種是否能在那裡生存。 由於我們正在談論殖民化，因此必須考慮到這一點。 這是一個更加複雜和有爭議的問題。 回到火星建築物，低重力將至少部分地迫使使用產生與地球相似的重力水平的區域。 儘管目前很難說它是某種類型的離心機，還是完全不同的解決方案。

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火星不會保護我們免受任何傷害

火星的大氣層還有第二個，甚至更危險的方面。 由於其低密度，它實際上不能抵禦宇宙射線或太陽風。 在地球上，磁層也保護我們免受太陽風的影響，而火星的磁層比我們的星球弱得多，因此問題成倍增加。 這還不是全部。

由於火星沒有足夠強的磁場，再加上已經提到的薄薄的大氣層，一個全球性的問題出現了——到達火星表面的電離輻射比地球上的要多得多。 僅在火星軌道上，根據火星奧德賽探測器使用 MARIE 儀器所做的計算，有害輻射水平大約是繞地球運行的國際空間站空間站的 2,5 倍。 這意味著在這種輻射的影響下（僅在軌道上），一個人在短短三年內將經歷一種危險的接近美國宇航局批准的安全限制的方法。 記住這一點也很重要。 到目前為止，還沒有關於如何處理它以及使用什麼手段的信息。

太陽風暴引起的質子爆炸，即所謂的太陽耀斑和日冕物質拋射，不僅在火星軌道上特別危險，而且對直接生活在火星表面的殖民者本身也特別危險。 在宇宙風特別強的陣風中，暴露在幾個小時後就可能致命。

“與地球不同，火星沒有內部發電機來產生主要的全球磁場。 然而，這並不意味著火星沒有磁層。 只是它沒有地球那麼廣泛。” PIC。twitter.com/GSL5CUb8Xw

- 火星 - 人文學科最後的希望 (@Mars_LastHope) 2018 年 3 月 30 日

因此，我們在火星上使用的所有結構不僅要密封、承受壓力下降、配備氧氣產生裝置和泵以保持內部足夠的壓力，而且還必須有效地保護住在那裡的人們。其中，來自太陽風和電離輻射。 也就是說，它們應該是真正獨特的封閉微環境，在其中維持人類生活所必需的條件。 此外，它們也應正確放置。 這就是為什麼有必要提前仔細繪製火星表面、自然避難所、溫度、天氣和陽光的地圖。

設計師和工程師已經面臨許多挑戰和問題。 特別是因為，顯然，至少應該在地球上建造第一批火星結構，然後才能運送到紅色星球。 更準確地說，這些結構、避難所、實驗室等的現成部件應該被運送到火星。 這種運輸產生的額外成本與建築物本身無關，而主要與將它們運送到另一個星球有關，也就是說，我們還必須解決這個巨大問題的財務方面。

另一個與火星的大氣層、磁層和磁場相關的問題，或者更確切地說是它們的實際缺失，是保護火星任務所需的電子設備，更不用說殖民化，或者至少試圖居住在這個星球上。 早期的任務使用的電子設備比我們今天擁有的要少得多。

在探測器中工作的系統處於 1990 年代的技術水平。 但不是因為一項任務的工作持續了很多年，並且設備的設計在此期間老化了很多，而是因為這種類型的電子設備可以承受火星條件（特別是輻射水平），比現代的、更先進的要好得多，但也更敏感的技術。 它們也經過了更好的測試和調整，因此可以保證任務執行所需的可靠性水平。 但對於人類船員來說，20 或 30 年前的設備可能不足以完成基本任務。 此外，這樣的設備肯定會缺乏探索地球所需的計算能力。 不能忘記，火星上的生命不僅限於生活在那裡，還需要進行研究工作、科技實驗。

火星表面本身也代表了另一個威脅，儘管尚未得到充分研究。 我們談論的是火星塵埃，它的顆粒非常小、尖銳和粗糙。 再加上靜電，這使它幾乎可以粘在任何東西上，還有另一個問題。 火星塵埃可能是一個真正的問題，例如，對於西裝的連接。 順便說一句，月球塵埃不像火星塵埃那麼尖銳，已經給阿波羅登月任務帶來了嚴重的困難。 例如，這會導致儀器讀數錯誤、儀器堵塞、某些儀器的溫度控制出現問題以及密封件損壞等問題。 有時設備完全失敗。 在月球表面，有大量來自此類損壞設備的廢金屬。 它們只是留在了衛星表面，因為這一切都已無法修復。

讓我們回到紅色星球的表面。 這個星球上的沙塵暴也可能成為火星上殖民者自身生命維持的問題。 雖然它們很少見，但它們甚至可以覆蓋火星的整個表面。 這不僅會阻擋陽光，例如光伏裝置，這可能會導致供電問題，還會導致通信複雜化。

從火星發送到地球的信號大約需要 3,5 分鐘才能到達，因此在最有利條件下提出的問題的答案將在 7 分鐘內收到，並且僅在行星彼此距離最近的情況下。 當它們彼此之間的距離最大時，該過程將花費八倍的時間。 當行星位於太陽的相對兩側時，情況會更糟。 那麼溝通就完全不可能了。 例如，沙塵暴也可能對機械構成直接威脅，因為火星上的噴砂比地球上最強的風或颶風還要危險得多。

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火星上的生命不僅僅是建築物

如果我們已經開始談論在火星上運行所必需的設備，那麼問題就來了：“如果這些設備壞了怎麼辦？”。 在這裡，我們再次進入廣泛理解的物流和供應領域。 為了在火星上有效運作，您需要為將運往火星的所有物品攜帶備件，並且會有相當多的設備。

而且你還需要帶足夠的食物。 即使是最短的任務時間，即大約 2 年，實際上也不可能在如此長的時間內從地球上獲取食物和水供應。 這意味著這種旅行的成本顯著增加。 計算我們每個人一天吃多少食物就足夠了，乘以 2 年，然後……再加上旅行時間，也就是一年半，因為參與者還要吃東西和喝東西。飛行。

最後，這個數字必須再次乘以機組人員的數量。 在實踐中，火星任務不能單獨執行，原因很簡單，因為有些任務需要特殊的知識或技能。 一個人不可能是所有事情的專家。 不可能同時成為一名高素質的飛行員、天體物理學家、天體生物學家、建築專家等。 由於心理原因，一個人也無法完成這樣的使命。 3,5 年單獨在太空和陌生星球上會嚴重影響即使是最有彈性的人的心理。 因此，足以確保火星任務成功的物資，即使是最短的任務，也不能簡單地從地球上帶走。

如果食物和水不能裝進我們飛往火星的飛船（目前僅此一項就給我們帶來了問題，儘管該項目“Starship“，這是由 SpaceX 執行的，為其解決方案帶來了一定的希望），那麼殖民者將不得不以某種方式在現場製造所有這些。 令人驚訝的是，火星大氣的成分可以幫助解決這個問題。 雖然這只是一個猜測，但它可以工作。 事實是，正如我上面所寫，火星的大氣層主要由二氧化碳組成，而地球表面（即植物生長的地方）的分壓是地球上的 52 倍，這給了真正的希望他們修煉成功。

水的情況也是如此。 人們普遍認為它存在於火星上，但迄今為止只檢測到它的存在。 實際上，火星任務參與者可能無法接觸到水，因為它被困在岩石中。 是的，現代知識和解決方案使恢復水成為可能，但這可能不足以在火星上生活。 是的，必須牢記，水必須在一個恆定的、封閉的循環中存在，涵蓋火星生命的各個方面。 就這樣，任何人都沒有權利盲目地花錢，因為這會威脅到殖民者的生存過程。 因此，唯一的長期解決方案是一種有效的方法來獲取已經在火星上的水，並適當地適應殖民者的需求和設備的維護。

當涉及到燃料時，也會出現類似的問題。 如果我們想在地球和火星之間不斷地旅行，那麼我們必須學會在現場獲得必要的燃料。 這將節省任務本身的資金，並在必要時增加返回地球的機會。 是的，在地球的發展和生活在火星上的過程中，你還必須以某種方式繞著火星移動。 從地球運輸燃料是一種相當昂貴的樂趣。 這再次增加了整個任務的成本，因為大約需要消耗兩倍的燃料。 然而，SpaceX 公司已經有了解決這個問題並同時防止宇宙輻射的想法。 公司科學家認為液態氫可以提供極好的保護。 此外，與從火星大氣中獲得的二氧化碳結合，它還可以作為從紅色星球返回的燃料。

同樣的能力也應該用於電力的生產和儲存，這對於即使是最簡單的火星殖民地的運作也是必要的，因為絕對不可能專注於一個來源，例如太陽能，因為，首先總而言之，在火星上，來自太陽的能量要少得多。 因此，地球上的光伏電池的功率重量比約為 40 W/kg，而只有大約一半，僅為 17 W/kg。 其次，返回可能需要很長時間，例如，由於已經提到的沙塵暴。 在火星上，有必要同時使用放射性同位素熱電發電機、地球地熱能的火星當量和風能。 事實上，在沙塵暴期間，那裡的風速會增加到大約 30 m/s。

事實上，與火星上的生命有關的問題、疑慮和障礙的清單可以考慮很長時間。 隨著關於火星的每一個新發現，它們的答案越來越多。 在這種材料中，我們可能只觸及了冰山一角。 好消息是，世界各地的科學家不僅在努力回答這些問題，還在努力解決具體問題。 例如，在火星上獲取水或種植植物時就是這種情況。 此外，第一批火星定居者將注定要吃純素，因為我們不帶任何動物。 儘管食物問題可能會根據國際空間站宇航員的經驗來決定。 管飼可以暫時解決這個問題。

地球化火星可能是一些問題的答案，但目前還只是理論上的。 科學家們現在幾乎一致同意，這個過程必須從地球溫度的升高開始，以獲得更高的大氣壓力和液態水。 困在火星兩極冰蓋中的溫室氣體可能會有所幫助，但地球化的實踐並沒有經過仔細規劃，從理論到實踐還有很長的路要走。

甚至以激進想法而聞名的 SpaceX 也將地球化稱為科幻技術。 但是你可以試試。 也許，為了對火星進行地球化改造，不必先執行載人任務，而是用例如為我們完成任務的自主設備取而代之。 人們將能夠前往一個為他們的到來做好準備的星球。 然而，這至少目前只是一種模糊的猜測，儘管毫無疑問，這樣的想法至少已經在一些人的腦海中萌芽了。

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不管怎樣，飛行和隨後殖民火星的想法已經征服了許多科學家、工程師和研究人員的心。 工作如火如荼，實驗正在進行中，計劃正在製定中，對這顆紅色星球表面的探索仍在繼續。 每天都有新的發現。 誰知道呢，也許現在看起來像科幻小說的東西幾年後就會變成現實。 飛往火星本身將是一種普遍現象。 你只需要相信，不要停止夢想，嘗試並一步一步地走向目標。