一直以來,火星都在人類的想像和文化中佔據著中心位置。古人訝異於它的紅色,以及年復一年循著週期跌宕起伏的亮度。早期的望遠鏡觀測讓一些人猜想這顆星球被運河所覆蓋,而這些運河則是火星居民用於交通和貿易的通道。在《世界大戰》一書中,作者H•G•威爾斯(H.G.Wells)設定了一個將會企圖征服地球的火星文明。在1938年,奧森•威爾士(Orson Welles)將威爾斯的小說改編為廣播劇,並驚嚇到了一群以為自己正在聽真實新聞的聽眾。

相較而言,火星和人類之間的真實故事就沒有那麼浪漫,但其迷人之處並不減損分毫。望遠鏡的觀測將天上的明亮紅點變成了模糊而斑駁的碟形,使人們產生了火星上有運河存在的白日幻想。就在50年前,一架經過火星的太空船拍下了它的第一張照片,顯示火星擁有模糊的大氣層。現在,經過數十年的火星探索,人們發現火星曾經存在過開放水域——生命存在的基本要素。

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1965年,水手四號拍到了人類首張近距離火星照片。圖片來源:NASA

即使在網路時代,人們對於火星的癡迷也並未消退。一個熱愛寫作本身,並樂於把自己的科幻小說發上部落格的前程式師安迪•威爾(Andy Weir),將一位NASA太空人擱淺在火星的故事寫成了連載小說。這個故事大受歡迎,最終,安迪•威爾將它改編為一部成功的小說——《絕地救援》,其同名電影在2015年十月上映。

《絕地救援》把關於火星的想像和事實結合在了一起,將故事建立在NASA和其他組織為探索火星所做的共同努力上,並把時間推移至2030年——那時,NASA的太空人會定期登上火星,並在火星表面上生活一段時間,進行探索工作。儘管小說的故事發生在20年後,NASA實際上已經擁有了電影中出現的許多技術。

 

居住艙(Habitat)

在火星上,瓦特尼(Watney)花了大量的時間待在居住艙裡,他遠離家園時的家。未來登陸火星的太空人也將需要這樣的一個家,要不然,他們就得穿著太空服、躺在塵土裡度過他們的火星時間。

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在《絕地救援》中,一個人造的居住艙(Hab)對幫助人類探索火星是非常重要的。圖片來源:Twentieth Century Fox

NASA的人類探索研究模擬器(HERA)是一個模擬外太空居住艙的獨立空間。這個兩層樓的空間由生活區、工作區、衛生艙和一個模擬氣閘組成。在其中,測試物件們需要執行操作任務,完成負載目標,並共同生存14天(很快將計畫增加至60天),在孤立環境中模擬未來的任務。太空人近期也在利用這一設施模擬國際太空站的任務。這些模擬提供了人為因素、行為健康以及處理應對方面的寶貴資料,有利於加深NASA對未來如何執行外太空探索任務的理解。

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工作人員在位於NASA強森航太中心的HERA執行任務。圖片來源:NASA

太空農場(Plant Farm)

目前,國際太空站的太空人可以從貨物補給飛船獲得足夠的食物,有些飛船還是商業公司提供的。但在火星,人們無法依靠地球補給獲得食物——即使是用最快的方式運送,也要花上至少九個月。如果人們想要在火星上生存,他們就需要持續的食物來源。因此,他們將需要自己來種植作物。

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《絕地救援》中的太空人馬克•瓦特尼在火星上種植馬鈴薯。圖片來源:Twentieth Century Fox
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現實世界中,NASA太空人謝爾•林德葛籣(Kjell Lindgren)正在國際太空站收割「素生」(Veggie)項目中種植的生菜。圖片來源:NASA

在《絕地救援》中,瓦特尼將他的居住艙變成了一個自給自足的農場,而馬鈴薯則成為了火星上的第一項主要農產品。而現在,在地球的近地軌道附近,生菜是最為充足的作物。在國際太空站有一套可應用的新鮮食品生產系統「Veggie」。使用紅、藍和綠色光,Veggie專案能使植物長在「枕頭」上——含有介質和肥料,表層能進行毛細現象的小袋子,並能被太空人收穫。在2014年,太空人通過這個系統成功種植了「Outredgeous」紅色長葉萵苣,並在最近第一次品嘗了這種宇宙蔬菜。這是太空種植上重大的一步,同時,NASA也希望進一步擴展作物的數量和種類,以滿足未來登陸火星的宇航員的營養需求。

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紅光照射下的「Outredgeous」紅色長葉萵苣,即將成為國際太空站宇太空人們的美餐。圖片來源:NASA

水回收(Water Recovery)

火星表層上沒有任何湖泊、河水或者海洋,如果從地球上運水過去則要花上九個月以上的時間。火星上的太空人必須創建出自己的供水系統。因為戰神三號上的水回收裝置,太空船上的全體成員在火星上沒有浪費一滴水,而瓦特尼則需要憑藉自己的聰明才智,來保證自己在這顆紅色的星球上不至脫水,並且生存下來。

在國際太空站上,沒有一滴汗水、眼淚甚至尿液會被浪費。環境控制和維生系統會回收並迴圈使用從各種地方採集來的水:尿液、洗手水、口腔清潔時使用的水等等。通過水回收系統(WRS),水被回收、過濾,並重新被投入使用。一個太空人曾這麼說過:「昨天的咖啡就是今天的咖啡。」

在太空中,液體的確會造成一些棘手的問題。水回收系統等相關系統必須考慮到,在微重力空間中液體的表現是非常不同的。比如,水回收系統處理尿液時必須使用離心機來進行蒸餾,因為在太空中,液體和氣體並不會像在地球上那樣分離。

NASA沒有停止過研發水回收新技術的腳步。目前,有研究正在試圖提升一次性多用過濾網(用於過濾無機污染物,以及不揮發的有機污染物)的性能,使之成為水回收系統中更具永久性的部件。鹵水回收過程則會從尿液蒸餾的「底料」中回收每一滴水。在未來的探索任務中,太空人對來自地球的水和零部件補給的依賴將會減少。

這項科技也被引進給了地球上的一些偏遠地區,或者遭受嚴重自然災害的地區,來為他們提供清潔的飲水。

 

氧氣生成(Oxygen Generation)

水、食物、庇護所:它們是在地球生存的三項基本要素。然而,還有一個第四要素往往被我們忽視,因為在地球上,這種要素總是可以免費獲取——那就是氧氣。在火星上,瓦特尼可沒法跑出門外,呼吸一口新鮮空氣。要想活下來,他無論去哪兒都必須隨身攜帶自己的氧氣補給。但首先,他得製造出自己的補給。在他的居住艙中,他用的是「氧合機」——一種用來自火星升空載具(MAV)的燃料製造機富集的二氧化碳來製造氧氣的工具。

在國際太空站,太空人們擁有氧氣生成系統,它對太空站內的空氣進行再處理,高效、可持續地為太空人們不間斷提供可呼吸的空氣。這種裝置通過電解過程,將水分子中的氫原子和氧原子分離。其中,氧氣被釋放到空氣中,而氫氣則會被丟棄到宇宙中,或者被送入薩巴捷系統——一種從太空站大氣的副產品中提取水的系統。

 

火星太空服(Mars Spacesuit)

火星表面對於人類來說可並不怎麼適宜。那裡大氣溫度非常低,也幾乎沒有可以呼吸的空氣。在居住艙外的火星表面採集樣本、維護設施時,太空人要想活下來,太空服是必不可少的。

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演員麥特•戴蒙(Matt Damon)飾演的NASA太空人馬克•瓦特尼。圖片來源: Giles Keyte
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NASA號召公眾為Z-2模型宇航服的三種外觀設計投票。圖片來源:NASA

在他度過的那些火星日(sol,也就是火星上的日出日落一週期)中,馬克•瓦特尼經常穿著太空服工作,他最後還需要在火星上長途旅行。因此他的太空服應當是靈活、舒適而可靠的。

現在,NASA正在研究可用于火星探索的太空服技術。從穿越火星地貌到採集岩石樣本,設計工程師需要考慮到太空員在火星上所需執行的一切任務。

Z-2和Prototype eXploration太空服是NASA設計的新型太空服樣本,它們運用了新技術解決了一些獨特的問題,日後,這些技術將會被用於首批登上火星的太空人們所穿的太空服上。它們分別用於解決不同的技術缺口——也就是太空服完成火星任務所缺失的功能。太空服設計工程師在硬複合材料和纖維間進行權衡,尋找耐用性和靈活性的平衡。

行走在火星中的一大挑戰是火星上的塵土。在火星表面行走後,火星的紅色土壤如果被帶入了太空船內,會對太空人和艙內設施造成影響。為了應對這一問題,新太空服的背後加上了太空服介面(suitport)的設計,這樣,太空人們就可以從艙內快速跳進太空服,將太空服留在艙外,從而使室內保持清潔。

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直接從艙內跳進室外太空服的介面設計。圖片來源:Wikipedia

火星探測車(Rover)

當人們降落到火星上之後,他們至少要在火星上待上一年時間,以等待火星和地球運行到回程距離最近的位置。這一點給了太空人們大量的時間進行實驗、探索周圍環境,然而,他們不會願意把探索範圍限制在步行可及的區域內。因此,太空人需要使用穩健、可靠、功能多樣的火星探測車,前往更遙遠的地方。

在《絕地救援》中,瓦特尼開著他的火星探測車跑了好幾趟,他甚至還對他的火星探測車進行了一些不怎麼正統的改裝,好讓自己生存下來。

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電影中的火星探測車。圖片來源:Giles Keyte
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NASA的多任務太空探索車(MMSEV)。圖片來源:NASA

今天,在地球上,NASA正在使用多任務太空探索車(MMSEV),為可能遇到的一切情況做準備。MMSEV已被用於NASA的模擬任務專案,以幫助解決NASA已經知曉的問題,發掘尚未發現的問題。這項技術的用途十分廣泛,可被用於支持未來探索小行星、火星、火星的衛星及其他類型的任務。目前,MMSEV已經為解決諸如行駛距離、快速進出和輻射保護等問題發揮了作用。為了保證探測器的機動性,一些版本的探測器裝備了6個轉向輪。這樣,即使有一個爆胎,只要向上收起出了問題的輪胎,火星探測車依舊可以正常運作。

 

離子推進器(Ion Propulsion)

《絕地救援》中,在往返火星的旅途中,戰神三號上的太空人們在赫密斯號太空船上生活了幾個月的時間,使用離子推進器這種有效的推進方式,穿越了將近5億公里的空間。離子推進器的工作方式是向氬氣或者氙氣通電,以大約每小時35萬公里的高速釋放出離子。太空船受到的力像微風一般輕柔,但通過年復一年的持續加速,太空船最終可以達到驚人的速度。離子推進還允許太空船多次改變它的軌道,然後脫離軌道,奔向另一個遙遠的世界。

NASA設計的「新一代」(NEXT)離子推進器。圖片來源:NASA

這項技術使NASA今天的太空船,比如曙光號探測器,得以盡可能地減少燃料的消耗,並能夠完成一些瘋狂的軌道變換。曙光號目前已經完成了超過五年的持續加速,累計速度變化達到了每小時4萬公里,超過了任何只靠自身推進系統推進的太空船。一路上,它完成了人類對矮行星灶神星以及小行星穀神星的第一次造訪。

 

太陽能面板(Solar Panels)

火星上沒有加油站,沒有發電廠,同時也幾乎沒有風能。對這顆紅色星球上的載人任務來說,太陽能能幫上太空人們的大忙。《絕地救援》中,赫密斯號太空船使用了太陽能電池陣列來發電,而馬克•瓦特尼不得不採取一些非傳統的方式使用太陽能板,來維持自己的生存。

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國際太空站上的太陽能電池板,背景中的星球是地球。圖片來源:NASA

在國際太空站,四套太陽能電池陣列能夠產生84到124千瓦的電力——足夠向40戶人家進行供電。太空站並不需要那麼多的能量,但如果出了差錯,冗餘能夠有助於降低風險。太空站的太陽能發電系統是非常可靠的,自首批太空人在2000年登陸至今,太空站一直安全地向太空人們提供著電力。

NASA的獵戶座飛船——一艘將會帶著人們到達前所未有距離的飛船——也將會使用太陽能電池陣列來執行日後的任務。在陽光下時,電池陣列能收集能源,為船上的鋰離子電池充電。在沒有陽光的情況下——比如在月球背後運行時——仍然會有足夠的能量供獵戶座飛船運作。

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NASA的新一代飛船獵戶座號。圖片來源:NASA

放射性同位素熱電發生器(RTG)

40多年來,NASA已經安全地使用放射性同位素熱電發生器(RTGs),為包括阿波羅登月計畫在內的20多個任務提供了電力。 「好奇號」火星探測車,以及即將升空的火星2020探測器等太空船使用的則是經過改進的新一代發電裝置。

RTG是一種將鈈-238的自然放射性衰變的熱量轉化為可靠電力的「太空電池」。「好奇號」上的RTG產生的電力不超過110瓦特——僅僅略高於普通的燈泡所需的電力。

在《絕地救援》中,太空人們把基於鈈的RTG能源埋在離他們的居住艙很遠的地方,以防核洩漏發生。就像電影中所說的一樣,為了避免任何可能的洩露,鈈-238本身就有幾層堅固而先進的材料,即使經歷了嚴重事故也不至於洩露。RTG主要發出α射線,它只能在空中移動幾釐米,也並不會穿透衣服或者人類皮膚。只有當它被分解成微粒或蒸發,並被吸入或攝入的時候才會對人類的健康產生危害。這種同位素是以陶瓷形式製造的,特別地是,它不溶於液體,因此,被吸入和攝入的可能性實際上是微乎其微的。

在現實中,火星環境的自然輻射比RTG產生的輻射要大多了。從外太空落到火星上的電離輻射雨對人類的健康也更加有害。目前,NASA的火星任務也正在分析火星上的輻射環境,好讓任務規劃者為未來的太空人設計保護措施。

未來的探險家需要在到達火星之前,確保有可靠持久的能源保證他們的生存。電力系統可能包括由更有效的放射性同位素發電系統、太陽能、燃料電池和核裂變組成的一系列組合。

 

遠征火星

載人航太計劃是個危險的行為。NASA計畫在21世紀30年代將人類送上火星,但在這之前,要保證太空人們安全地返回地球,還需要實現許多里程碑式的進步。史考特•凱利(Scott Kelly),一位目前已經在國際空間站生活了一年的太空人,完美地總結道:「太空是艱險的。對航太的每一層面來說,誤差幅度都幾乎接近於零。然而,在走向火星的征程中,我們得以更深入地理解宇宙;我們學到和帶回的所有一切,最終都將惠及全人類。」

 

撰文:環球科技觀光團

編輯:Stellasun

 

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