张帆:人类移民火星最大的问题是缺少适宜的大气

2020-07-21 17:46:28 来源: 网易科技报道 网易号 举报
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浩瀚无垠的宇宙星河吸引着数辈航天人前赴后继,也激励着无数人的航天梦想。在被认为是中国航天超级大年的2020年,网易新闻在火星探测器发射之际,联合科普中国、中国航天科普,策划重磅系列报道《一起去火星》,为广大网友呈现完整、新颖的火星科普知识,带大家一起“穿越”火星。

网易火星知识官介绍:张帆,北京师范大学天文系副教授,未来论坛青创联盟成员。研究方向包括引力波天文学和更广泛的理论天体物理. 他是北京师范大学引力波和宇宙学实验室副主任, 北京师范大学引力波激光干涉实验室的筹建人员之一。


网易科技:地球已经不能满足人类探索的需求了吗?我们为什么要将神秘的宇宙作为新的探索目标?

张帆:首先,地球已经不能满足人类探索的需求”其实并不完全是我们去宇宙的原因,相比“蛟龙号”进入深海要面对几百个大气压,太空是真空环境,只需要裹住仓里的一个大气压,这方面反而容易一些。

太空探索的关键问题是得把飞船打到天上去,很费燃料,换句话说就是很费钱,返回的时候由于地球上有大气,飞船在大气里下降速度快导致摩擦生热燃烧,所以保护也非常棘手。

所以在太空探索时,能否避开进入和逃离大气层,就直接在太空里面造太空飞船,避免摩擦燃烧,也不需要让它逃离哪个引力场是一个值得研究的课题。这种想法从某种程度上催生了现在比较流行的“太空挖矿”,太空挖矿的一个目的就是拉一个小行星到地球附近,在上面把小行星上的东西变成可以3D打印的材料,之后直接在太空站把飞船尤其是比较重的部件做出来。这些事情做到了的话,太空探索比钻到地球深处甚至内部更方便。

另外我们探索宇宙,尤其是行星探索,除了建一个新的基地以外,对地球还有很重要的参考意义。地球上的环境比较特殊,是有可能会变的,不光是全球变暖问题。当地球发生极端变化的时候,人类怎么样能够生存,我们可以从火星、金星的探索里,学到在极端环境下的生存之道,对将来长期在地球上生存,也有很重要的意义。另外,即便只是为了了解我们地球上现有的各种地质、地磁等现象的来源,探索其它行星也是非常有效可行的获取线索和比对数据的方法。

网易科技:在登月完成后,人类为什么会选择火星?

张帆:近期来看是技术上可行,远期有一些很明确的科学,甚至社会学的目标。火星还是挺有意思的,但其实还不是一开始就选了火星。首先考虑的问题其实是得离得近。因为距离远通讯信号就弱,导航也很难。而且如果去到外太阳系,距离太阳远,能量供给很难保证,得用大量核电池,如果发射失败爆炸了肯定不是什么好事。而去近的地方有两个选择,往内走有金星,往外是火星。

其实上世纪中叶金星更受欢迎,因为金星跟地球尺寸基本一样,里面的岩石结构的构成也基本一致。而火星其实只有地球质量的1/10,它更像一个大一点的月亮。而且金星的外面被一层云包裹,看不见里面到底是什么,所以早先大家想象在里面可能有生命。早期尤其是苏联做了很多金星探索。

但是金星上存在不可控的温室效应,地球上如果人类不加以控制可能也会发生类似的事。温室效应导致金星表面温度高达500度左右,比距离太阳更近的水星温度还高,其大气里也基本已经没有水了,水全都蒸发到特别上面,太阳光把它电离变成氢和氧,氢很轻,上浮跑到太空里,没办法再回来形成水。所以金星很干,也特别热,不太可能有生命,探索价值有限。

金星的大气压还特别高,表面大概是90个大气压,跟深海1000米是差不多的。可以想象要是去金星载人探险,得把蛟龙号一样沉的飞船打到太空,即使有钱技术上也不一定达得到,所以金星探测比较困难。

其实即便是无人探测器也很难抵受这样的高温、高压。另外金星上的云实际是硫酸,会腐蚀。苏联打了很多探测器上去,有一个成功着陆,也只工作了二十几分钟就挂了。所以金星基本上探测就先告一段落了,但之后并非没有可能继续对金星进行探索。

有一种可能性,不完全降到地面,降到大概几十公里的高度,用气球飘在半空,那附近大概是一个大气压,引力又跟地球差不多。但是还是得带氧气面罩,穿一些不被酸雨腐蚀的衣服。

去火星反而比较容易,虽然火星比金星略远,但是火星比较适宜登陆。

火星环境和金星正好相反,经历了不可控的冰箱效应。火星气候很冷,大气压特别低。由于小,所以形成之初的余热坚持不了太久,火星里面大概是四十亿年之前可能冷却了,冷却之后发电机效应没了,磁场消失。现在有一些磁场的遗迹,但是没有像地球南北极之间的大磁场,没有办法保护行星,太阳风直接吹到电离层上面,把大气层的带电粒子吹跑了。而且火星质量只有地球的1/10,引力能够束缚到多少大气也是个问题。所以火星的大气非常稀薄,大概只有地球的1%。

火星的环境也比较恶劣,上面有很多特别细的像烟一样的粉尘,很容易被风卷起来,形成席卷整个火星的沙尘暴,电影火星救援里的大风暴是真实存在的,但是电影不太真实的一点是,火星上大气稀薄,风速即使很高但没什么劲,不会把东西吹得到处乱跑,所以实际上危害没有那么大。

长期的考量是,我们有很多人提到去火星移民或者是建一个大的基地,甚至把火星整个气候改造,变成一个宜居的度假胜地,这实际上很困难的。

火星的好处是它有相当多的水,主要是以冰的形式存在。在星际探索里面,水不光是人类需要,它是一个极性溶剂,对化学形式生命体的存在可能都很重要,同时我们也可以想办法把氢从里面提取出来,水被分离成氢和氧之后,可以拿来做燃料。

但要想让火星温度比较宜居,还需要把更多的二氧化碳搞出来,火星上有二氧化碳的干冰,所以马斯克想了一个办法,其实也不是他想的之前有人做过这个研究,能不能拿核弹去炸干冰盖。但是算了一下,把所有都炸出来,大气密度也就从地球的1%增到7%,可能干了一个遗患无穷的事,但是实际气候改善没有太多。所以长期移居,想把整个气候改变可能是不太靠谱的。

另外再怎么改变也不太可能变出氧气,氧气是地球上特殊的产物,它实际上是生物排放的废气,是生物过程的一个副产品。氧是一个强氧化剂,很容易跟其他东西起反应,所以很难也一般不会自然的在一个环境里存在。

地球上有氧气是因为有原始的生物还有树。氧气对绝大部分早期生物来说是剧毒,我们抗衰老也有抗氧化的说法,实际上要是硬讲我们慢慢的在被氧气毒死也不是完全没道理,但是人不能不吸氧气,因为高等生物需要很多的能量供给,需要有很强的氧化剂来产生强烈的化学反应来释放能量。所以想把火星改造成宜居、不戴面罩也可以到处乱跑的环境,只有科幻片才有,现实基本上没有什么可能性实现。

长期来讲,可以建基地,但也就是放大版的月球基地,不太可能改造整个星球。

去火星还有一个很重要的目标,是去看有没有生物。要想从零开始做出来真正的复杂生命是很难的,所以如果在宇宙另外一个地方,比如火星,发现了和地球完全不一样的生命的结构,就是打开了另外一扇门。因为我们不能创造生命,只能改造,也许可以把它改成各种各样的东西拿出来治病。

网易科技:和登月比起来,为什么去火星更难?它难在哪里?

张帆:火星类似一个大号的月球,它的特点是大气稀薄、引力小,所以登陆方式跟月球比较像。但火星要更难一点。

月球上基本没有大气,就贴着地面特别薄的一层,没法用降落伞,我们的嫦娥登月都是用的反向推力火箭,冲着地面方向喷从而减速。

在火星上有大气,可以用降落伞,但是由于火星大气密度不够大,所以光是降落伞不太好用,一般采用混合式方法,比如美国的Curiosity好奇号登陆的时候,先用降落伞把速度降到声速以下,再反向助推。这方案行之有效,但是步骤多了之后,出问题的可能性就大。

如果想要载人登陆火星,问题就更加棘手。因为人是需要有生命保障系统的,飞船的空间也不可能特别小。但是一旦登陆火星的东西达到10吨左右量级,就需要一个美式足球场大小的降落伞把它降到亚音速。

首先降落伞本身有重量,而即使能做到很轻,它从折叠到展开的过程也需要时间,算一算还没展开成足球场那么大,就撞到地上去了。所以没有办法用降落伞把它降到亚音速,必须要在超音速环境下,就得开反向助推了。这其实是很麻烦的事情,没有声音作为压力波在飞行器前面开路,前方大气在“毫无准备”、“毫无躲闪”的情况下被飞行器撞到,很容易形成激波,有可能开了助推反而掉得更快,或者产生湍流影响飞行器姿态。但也不是没法解决。马斯克的SpaceX有火箭助推器回收,比如猎鹰9号回收,实际上大概在四倍音速就已经开始反向助推了。掉到离地面70公里左右时,它的工作环境基本上跟火星已经很像了。

虽然技术并不是不可能,但需要第一批去的人非常勇敢拿肉身实验。总而言之去火星还是非常有意义,也有很多可以期待的,我们生活在一个很有意思的年代。在后面会有很多很有意思的事情发生,尤其是宇宙探索方面。

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刘菲 本文来源:网易科技报道 责任编辑:刘菲_NBJS10390
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