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火星移民攻略

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原创 太空精酿

人类探火星在60/70年代可谓疯狂,面对不足三分之一的成功率,苏联和美国犹如接力赛一般轮番上阵,苏联更是屡败屡战从未放弃,直到80年代双方同时偃旗息鼓。而进入21世纪以来,人类探火星进入新的高潮,美国、俄罗斯、印度、日本、中国都尝试过火星任务,关于火星的未来开发方案也进入各国航天发展重要日程。





21世纪至今,已经有美国奥德赛号轨道器(2001)、欧洲火星快车号轨道器/着陆器(2003)、美国勇气号火星车(2003)、美国机遇号火星车(2003)、美国侦察轨道器(2005)、美国凤凰号着陆器(2007)、美国好奇号火星车(2011)、美国火星大气专家MAVEN轨道器(2013)、印度曼加里安轨道器(2013)、欧洲火星生命探测计划ExoMars轨道器/着陆器(2016)等一系列任务携带先进的仪器成功探测火星,时至今日依然有8个任务活跃在火星表面和火星轨道上。


它们的研究结论可以归纳为以下几条:

1.火星的地质活动已经极其微弱,几乎没有板块运动,地底能量基本散失殆尽,磁场过于微弱无法防御太阳风和宇宙辐射,大气成分也缺少足够来源;

2. 火星在37亿年前与地球情况基本相似,除了海洋和湖泊普遍呈现酸性以外,基本能够维持原始生命,但随后陷入了不可逆的水分散失过程;

3.火星大气现在以每秒至少100克的速度流失,考虑到目前基本没有补充且流失永不终止,火星大气将会最终散失殆尽,而目前的水平约是地球大气压的1%不到;

4. 火星地下依然含有至少2%的水分,且在夏季时两极区域和高山斜坡上存在液态盐水流动情况,越靠近两极水分越多,两极冰盖的水冰含量甚至达到了格陵兰岛的三分之一,足够人类生存;

5. 火星土壤95%以上是矿物质和金属,两极区域含有高氯酸盐,高氯酸盐是氧化剂且能作为氧气来源,大气中96%以上成分也是二氧化碳,可作为人类未来能量和植物呼吸来源;


因此,火星整体上陷入了一种趋向于更加荒芜、死寂、空旷且不可逆的过程中,内部能量的散失更是完全无法拯救的,人类基本要放弃对它的整体改造。

在这种前提下,世界各国的研究方案中心都变成建立大型封闭火星基地。

设想中的火星基地

美国方面,无论是NASA(上)还是Space-X(下),未来的方案都是建立基地。

俄罗斯组织了“火星500”系列实验,这应该是世界上最全面的整体实验,验证一个封闭系统和宇航员们经历长期基地生活的影响,自2008年起已经进行了三批实验。


中国火星基地模拟

中国也计划投资4亿元在青海省海西州大柴旦红崖地区建立火星模拟基地,这里的雅丹地貌是中国被认为“最接近”火星的地方。


目前已经成立探测火星项目的阿联酋也提出了火星基地方案,计划在迪拜附近投资1.4亿美元建设一个可行的现实火星基地模型。


荷兰一家私人公司Mars One甚至提出了前往火星基地的“单程之旅”,全球数万人报名自愿参加。


可见火星基地方案已经是各国必然选择的方案。相比较不现实也不可行的火星整体改造方案,选择基地方案显然是唯一的选择,它的最大优势在于:全封闭,能完全产生跟地球一样气压、温度、光照条件,不必受火星外部恶劣环境影响。


而在设计方面,有以下方面需要着重考虑:


1. 基地选址:在北极和赤道之间的大平原地区,地势较好;这里水分含量较高(>3%且靠近北极冰盖),北极夏季时火星处于远日点因此夏季很长(火星轨道为0.1偏心率椭圆),白天温度可以达到20度;火星北半球富含火山岩而拥有足够建筑材料。

阿联酋的火星基地概念图



2. 建筑材料:火星表面有丰富的矿物质和金属材料,完全可以采用现在日趋成熟的3D打印技术,只需运送少量打印机器人先期前往火星即可,通过3D打印可以轻松实现立体蜂窝状金属结构来建立基地框架,强度高质量轻且能防范微型陨石。火星土壤中有40-45%的氧元素、18-25%的硅元素、12-15%的铁元素、2-5%的铝元素,可以说对于建造以钢和玻璃为主要结构的建筑物毫无压力。


3.能量来源:基地外围和表面建立大量太阳能电池板阵列(可由硅、氧、铁、铝等元素3D打印而来),机遇号和勇气号火星车已经证明了火星上基本不存在沙尘导致太阳能电池板被覆盖而无法工作的问题,原计划工作3个月太阳能电池板就失效的机遇号已经工作了13年且仍在继续工作!人类也可携带大型同位素裂变电机作为能源补充,好奇号火星车采用此项技术仍在火星工作,并被无限期延期,从理论上讲它可以继续工作20年(核电池的放射性元素钚-238半衰期高达88年)。更何况人类如果掌握核聚变技术,能量就取之不尽用之不竭了。


4.空气来源:火星土壤中拥有较多高氯酸盐,可以简单加热即可获取足够氧气,(请大家脑补一下中学期间加热高锰酸钾和氯酸钾(氯酸盐)获取氧气的实验),在封闭环境中维持低压富氧环境人类即可以健康生存。而且空气中有96%的二氧化碳,北极更是一望无际的干冰冰盖,取之不尽用之不竭。


5. 水分来源:火星地下含有至少3%水冰,经过加热即可获取水分,且北极冰盖底部有大量水冰。


阿联酋的植物仓方案



6.食物来源:可以建立独立的植物养殖仓,人类现有的无土栽培、LED养殖技术(极少光照和能量消耗)完全可以实现。在这个相对密封的植物养殖仓中,由于无土栽培养分充足、二氧化碳含量可以远超过地球、火星重力不足地球一半植物可以生长的更大,这意味着植物的产量将会远远超过地球。它们也会产生大量的氧气供给人类,封闭环境中水分近乎实现无限循环。而植物产生的废弃秸秆、茎秆、根部等,则可以用来加工饲料,供养家禽牲畜;


7.交通出行:全程封闭的轨道交通,目前地球上无论是海底隧道还是在研超级高铁都有极高可行性,它们面对的难度远远超过火星,但已经被人类运用的非常成熟。对于偶然的户外情况,火星车也已经成熟的技术。

Space-X的火星上火箭发射方案

而航天技术基本是每个火星基地的必备选项,建造火箭乃至可重复利用火箭目前并没有技术难度,只需解决最重要的燃料问题。而通过二氧化碳和氢气(来自于水的电解)的催化反应生成甲烷,从而使用甲烷液氧火箭并不困难,中国中科院大连化学物理研究所的科学家已经研制出了相应催化剂。火星的逃逸速度低于地球一半且几乎没有大气阻力,在火星上进行火箭发射和降落难度要远远低于地球。


8.重要资源: 对于稀有金属和矿藏等,完全没必要依赖地球运输。火星距离小行星带已非常接近,这里有着几十万颗小行星,更有数亿颗乃至数不尽的极小星体,它们的成分和构造完全不同,不少都拥有地球上极其稀缺的资源。火星上的航天探测要比地球简单很多,完全能够建立定期“采矿航班”,采取缓慢控制合适大小的小行星,改变轨道靠近火星,在临近火星时将其拖入火星撞击在地表成一个小型矿藏,只需慢慢派车来挖即可,这个难度甚至要低于地球采矿,比起地球运输过来更是性价比高很多。