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你大概看过SpaceX公司打算送8万人去火星定居的新闻,也注意到了最近荷兰那个征集火星殖民者的真人秀,那么,真人去火星,到底怎么走?

看完这本《赶往火星》(The Case for Mars)(http://book.douban.com/subject/10532684/),一切疑问应该会得到解答。

“火星狂人”、航空航天工程师、美国火星协会主席罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)1996年就写出了这本书,2012年,他又将之全面修订,但主张没有变:只需要10年,我们就能利用现有技术把人类送上火星,然后利用当地资源,逐步实现火星定居。

如果一切顺利的话,2022年,人类载人火星计划的第一批成员将离开地球,他们会在6个月后看到火星锈色的土壤;2033年,数次短期考察后,宇航员们会找到火星定居的最佳位置,人类文明的新分支将在此生根发芽。完全利用现有技术,预算合理。

卡尔·萨根说:“祖布林几乎单枪匹马地改变了我们在这个问题上的想法。”阿瑟·克拉克则为此书第一版作序,说这是他所见的“关于火星的过去与未来综合性最强的记录”。

书的前6章中,祖布林详述了这项“火星直击”计划的前因后果、具体发射安排和其中涉及的所有技术细节:出发速度、往返轨道、启程时机、考察组组成、后勤补给、后备计划、可能的阻碍,以及宇航员们在火星上如何行动,如何生产燃料和氧,如何联络、导航、计时(关于火星日历,请看《赶往火星:火星日历》)。

接下来,祖布林要说的是如何在火星建立基地并开展火星殖民,我们的连载就从这里开始。

再次提醒:这不是科幻小说。

译者:徐蕴芸

最早几次载人火星飞行任务的目的是探索、调查,并解答关于这个红色星球是否曾经承载过生命这一重要问题。随着开发的进程,这个问题一旦以某种方式得到解答,另一个问题便会随之浮现,成为首要任务:不是关于火星上曾经的生命,而是关于火星上将来能不能有生命存在。正如我们所见,火星在太阳系中是独一无二的,本章和下一章都将探讨,它不仅比其他任何行星邻居更丰富多变,也是除地球以外唯一拥有大量物资和能源的星球,这些物资和能源足以支持生命。不仅如此,还可能支持人类文明的另一分支。

火星不只是探险或科学研究的对象,与其他已知的地外星体相比,它是一个世界,与它相比其他星体都只是全然无味的贫瘠之地。火星上的资源能允许旅行者种植食物,生产塑料和金属,产生大量能量。如今人类社会大量使用的一切元素,在火星上都可以找到充足的储备;它的环境条件,从辐射情况、可用的阳光、日夜温差几方面来评估,也都在人类地表定居不同阶段的可耐受范围内。火星的能源终有一天会令这颗红色星球从探险乐园跃身变为百万居民可以建立新生活的活力社区,它将被打造为一个新世界。

不过,只有发展出开采利用这些有用原材料的技术,它们才能成为真正的资源。如果人类需要定居到火星,哪怕仅仅是要建立一个永久性的任意大小的科学设施,都需要开发一套新的能源利用技术,并在火星上加以演示。为了完成这一目标,我们需要在火星上建立大型基地,从而进行农业、土木、化工和工业方面的各种工程学研究。基地还使我们能够进行火箭推进的飞行器活动,去往全火星,这会大大增强我们在这颗红色星球上寻找矿物资源和科学财富的能力。

因此,进行了一定数量的探测任务后,就可以在火星上选择最佳发展位置,届时火星任务就可以从探测升级到第二阶段,即基地建设。初始的火星直击探索任务中,火星空气被用来提供燃料和氧气;而在基地建设阶段,这一初级水平的当地资源利用将会被超越,永久性的火星基地将主导一系列可以把火星原料转化为有用能源的新技术,而且技术会越来越丰富。要建立一个庞大的火星基地,我们需要学习如何在火星上提取原生水,并种植温室作物;如何生产陶瓷、玻璃、金属和塑料;如何构建居住舱和充气性结构;以及如何制造各种有用的材料、工具和建筑。探险期的初期任务可以用4名成员这样的小队人马来完成,利用斯巴达时期的简陋基地帐篷在火星表面的广袤领域中活动;但建立基地需要很多人员进行劳动分工,也许需要50人,他们会携带各种设备并耗费大量能源。简而言之,基地建设阶段的目标是开发大量有用的技术,在火星上生产食物、衣服、住房,以及其他一切需要的东西,使移民到这颗红色星球上的可能性越来越大。

建立基地

火星直击任务中,队员们每隔一年都会打开火星上一片新的疆域,以供探索和可能的定居。最终,会有一个前哨基地被认为是第一个火星永久基地的最佳选择。一旦确定了这一位点,此后所有的新队员都将在这一选定位点降落飞船。在火星直击任务中,队员离开后,他们使用的居住舱会留在火星上。因此,随着任务进程的发展,各次任务都将在基地结构中增加一个居住舱。降落在基地位点(根据便利程度选定)的居住舱起落架上有轮子,在电缆和绞盘的帮助下,各居住舱可以移动到一起,直接连接或用充气隧道进行连接。另一种方法是,第二代蜗居的起落架不仅能上下连接(所有起落架都可以),还能左右连接,这令六条腿的蜗居可以像威尔斯(H. G. Wells)的《世界大战》[1]中描写的那样,在火星表面到处行走!这两种方法中的任何一种,都可以令火星直击任务中“鱼罐头”式的居住舱成为互相连接的网络,迅速建立起某种规模的火星初级基地。

【Woking tripod,图片出处:维基百科】

住在鱼罐头里,虽然对拥有钢铁般意志的首次火星探索队员中的男女来说可能够了,可这样的前景对于支持永久火星基地中的大量科研人员来说就不太令人满意了,作为移民火星计划的基础则更接近无望。因此,早期任务中包括基地的自我发展和大型居住结构的后续发展。这就需要使用我们在登陆火星时采用过的“远离家园生存”策略,采集当地材料组装新结构。

砖制拱顶

在20世纪80年代末发表的一系列论文中,工程师布鲁斯•麦肯齐(Bruce MacKenzie)根据一些细节进行分析后,得出结论认为,在火星上最初进行大型建筑的最理想当地材料是砖。这一缺乏技术含量的概念乍听之下可能非常令人吃惊,但此提议也有很多优点。砖的制作相当简单,地球上很多最早的城市也是由砖块建造起来的。基于同样理由,砖块也可能成为火星首次人类定居的理想建筑材料。要想进行砖块的大规模生产,你只需要采集好的细土,把它弄湿,放入模具轻度压型,干燥,然后烘烤。甚至不需太高的温度——世界上很多地方依然在使用太阳下晒干的砖块——300摄氏度的烤箱温度就能得到不错的砖了。如果掺入一些废料如扯碎的降落伞布,还能进一步增加黏合力。(你也许会回想起圣经中对埃及人的描述,他们用稻草混合泥土来制作砖块。这是很的工程学方法,复合材料制作的早期案例。)现代一流的砖块需要900摄氏度的窑温,但这在火星上也是可以实现的,使用太阳反射镜熔炉或基地核反应堆的余热。当然了,这个过程是需要用到水的,但如果能正确建造烤炉,只要砖块烘烤前在200摄氏度进行干燥,几乎所有的水都能从蒸气中回收。火星上几乎到处都是可用于砖块制造的完美原材料。火星表面大部分都覆盖着颗粒细腻、富含铁质的黏土状灰尘,至少有几十厘米深。加水混合后,同样的红土也能被用于生产灰浆,令砖块黏合在一起。事实上,在20世纪80年代末,马丁•玛丽埃塔公司用火星土壤模拟物进行过实验,化学家罗伯特•博伊德(Robert Boyd)证实,仅仅将火星土壤弄湿后干燥,就可以得到超过地球水泥一半硬度的“硬泥”。29海盗号得到的结果显示,火星土壤含有大量钙(约5%)和硫(2.9%);针对已知来自火星的SNC陨石的分析发现,这些物质在红色星球上以石膏(CaSO4•2H2O)的形式存在。在地球上,石膏是用于制作灰泥的原材料,经过烘烤还可以制作石灰。加入灰浆就可以制作传统的硅酸盐水泥,它的抗张强度会有很大的改善。

结构材料的抗张强度和抗压强度各不相同,分别反映了它们抵抗拉伸和撞击的能力。绳子或缆线的抗张强度很大,但没有抗压能力。钢梁则兼具这两方面的能力。另一方面来说,砖砌的墙和柱子有足够的抗压性,但抗张方面比较弱。它们很难击碎,但也没有能力把大件物品维系在一起。然而,三千年前古埃及人用砖块和灰浆建造的建筑,如今依然屹立在大地上。用砖块搭建的结构在火星上也能有同样的稳定性,只要火星建筑符合统领几乎所有古建筑的中心法则:让砖结构处于受压环境下。

要在火星上建造一个加压的砖结构,你需要挖掘沟槽,然后在其中建立一个罗马式的拱顶,如果能像【图1】所示那样,建立一系列的罗马式拱顶甚至是罗马风格的中庭就更好了。拱顶上覆盖着泥土,因此有一个很大的向下负荷,只有这样才能用所呼吸的空气(用第6章中描述的化学制氧装置生产,或本章稍后描述的温室气体)给它加压。需要多少覆土,取决于所使用的空气压强是多少。如果坚持我们建议的火星标准——5 psi(与天空实验室一样,相当于3.5 psi的氧气和1.5 psi氮气),则拱顶受到的压强大约为3.5吨每平方米。假设火星土壤的平均密度是水的4倍,则拱顶上需要一层2.5米深的灰土,就足以为整个结构提供压强。(要记得火星上的重力只有地球上的0.38倍。如果能达到地球上的重力,我们只需要1米深的土。)如此之深的灰土层也能提供很强的辐射屏蔽,减少居住在这一地下结构中的人们所要遭遇的宇宙射线暴露,使其几乎相当于地球水平。另外,土壤还能提供完美的热量隔绝,使火星表面显著的昼夜温差降低到几乎可以忽略的水平,极大地减少用于给居住舱升温的总能量。砖块和土壤的结构可能会漏气,虽然速度会很慢。这一点是可以进行补救的,只要将一层薄薄的塑料密封胶喷在墙壁上,或以壁纸的形式粘在墙上。随着时间的流逝,缓慢的泄漏有自我修复的趋势,因为结构中泄漏的相对潮湿的空气会在周围土壤中形成可封闭漏缝的永冻层或冰。正如【图1】所示,采用这些相对简单、从根本上说很古老的方式,火星上就可以建造像购物中心那么大的加压建筑。

【图1,单独或成系列的罗马式拱顶(a)可以用于在火星上建造大型地下加压居住舱,甚至包括宽敞的门厅(b)。(设计:麦肯齐,1987)】

圆顶中的家园

住在一个地下购物中心,已经比火星直击时住在鱼罐头里好多了(我十几岁的女儿蕾切儿听到有机会住在购物中心一定会开心地跳起来),但在火星上我们还能做得更好。我们不需要用穴居的方式来保护自己远离辐射(像在月球上那样),因为火星大气层厚度足以保护居住在地表的人们抵抗太阳耀斑。火星的地表对我们敞开了欢迎的怀抱,即使是在基地的建设联合阶段,也可以使用透明塑料制成的大型充气结构,外覆薄层硬塑料抗紫外线耐磨网格状拱顶。它们可以迅速大规模建造,既可以用于人类居住,也可以用于作物种植。需要顺便一提的是,即使没有太阳耀斑和长达一月的昼夜周期的问题,在月球上使用这种简单的透明地表结构依然是不实际的,因为它们内部将产生无法忍受的高温。而在火星上,相反,这种拱顶产生的强烈温室效应正好可以被用于必要的内部气候温度打造。

在基地建设阶段,可以安置这种直径50米、内含5 psi气压的圆顶以支持人类活动。如果用高强度塑料,如凯夫拉尔[2](其织物屈服应力高达200000 psi,是钢的两倍)来制造这样一个1毫米厚的圆顶,其强度会达到抵抗爆破力所需强度的3倍,仅重8吨(含地下半球),另有4吨的非承压树脂玻璃(Plexiglas)屏蔽层。(用于居住的圆顶用防爆凯夫拉尔纤维制造,在灾难中不会倒塌。即使有大口径子弹横穿50米直径的圆顶,内里的空气也要两周左右才会泄漏光,有足够的时间用来修复。)在定居的早期几年,这种圆顶需要在地球预制。之后,它们可以在火星上制造,拱顶也可以更大。(加压拱顶的质量与它半径的立方成正比,不加压屏蔽拱顶的质量与半径的平方成正比:100米的拱顶约为64吨,需要16吨的树脂玻璃屏蔽,依此类推。)

最大的问题是圆顶的竖立。加压可弯曲容器形成的天然形状是球形,这种情况下,负载在各个方向是相等的。球形简单又可靠,但用作拱顶形居住所的基础却的确是个问题,因为你需要进行大量挖掘工作来将其竖立。想象你要在沙滩上埋个沙滩球,让它下半部埋进沙子,上半部露在外面。要完成这个工作,得挖个跟下半球尺寸一样的洞。虽然这在沙滩上可能还算轻而易举,但要在火星上竖起一个50米的圆顶可绝非易事。因为你得先挖个洞,把你的球放进去,其后再把挖出来的东西填回到下半球的内部。你最终要得到的是一个方圆50米的巨大空间,而地板到圆顶顶部是25米(【图2.a】)。很漂亮,但工程量可不小,因为它需要你挖出并回填260000吨的物质。如果能找到一个尺寸合适的环形山,那这开头可给你省了不少事,但指望大自然给你留两三个你想要的基地位点,可能不会有正好这么合适的事。

【图2,在火星表面建造圆顶的几种方法:(a)埋下半个球形;(b)埋一个下半球曲率半径为上半球2倍的圆顶;(c)将一个“帐篷”式的圆顶用打锚的方式固定在地面;(d)将一个球形居住复合体整个放置在地表,用凯夫拉尔纤维垂吊固定舱板。(绘图:迈克尔•卡罗尔(Michael Carroll))】

这个问题有一个解决方法,但需要上、下半球有不同的曲率半径。把一枚小硬币放在一枚大硬币上,你就会明白我的意思。半径大的硬币,曲率半径也大。大硬币形成的拱形比小硬币的更偏平坦。为了解决我们的挖掘难题,与其在地下部分使用真正的半球,不如用一个局部的球体,它的曲率半径比上半球要大(【图2.b】),这样能大大减少我们的挖掘工作。比如,如果上半部分的拱形是直径50米的真正半球(曲率半径25米),则地下部分的球体曲率半径可为50米。这样一来,我们不再需要挖掘一个25米深的半球形洞来放置我们的居住舱,只需要浅浅的3.35米的坑就够了;需要搬运的土壤量也从260000吨减少到了约6500吨。这个数字使整个提议听起来靠谱多了。如果采用每小时能装满一台标准自卸式卡车(20立方米)的挖掘和搬运设备,整个挖掘工作需要40个班次(每班次8小时)来完成。

另一个办法是用一个半球形的圆顶帐篷。当我们用球形圆顶时,需要把球形的下半部分埋起来;但用帐篷时,只需要将帐篷的圆边或者叫“裙边”在地表深处做好密闭(【图2.c】)。然而,这还是需要较大量的挖掘工作,因为直径50米含有5 psi的圆顶会经受到总的6926吨向上的力,将它从火星地表刮跑。这相当于在周长上每米承受44吨的力。因此,如果可以为整个圆顶的“裙边”铺设3米宽的锚定带,假设尘土的密度是水的4倍,则裙边需要被锚定在地下10米深,这样锚定带上的裙边底才能固定圆顶。为了固定这样的一个圆顶,需要挖一条3米宽、10米深、周长157米的沟,把裙边埋下去,然后再给裙边锚定带重新填土。挖沟的过程需要搬走18800吨的土。另一个工作量更少的办法可能也能达到效果,挖一个浅得多、狭得多的圆形沟(比如1米宽、3米深,只需要挖1900吨的土),把裙边放进去,然后用长而深的带倒钩固定桩把裙边插入地下。固定桩带有导管,可以把热水注入地下,这些水最终会与土壤冻在一起,成为固定桩牢固的永冻圈,从而令圆顶在原地非常牢靠。

还有第四个选择,仍使用球体,但不把它埋起来。取而代之的是,我们用一系列凯夫拉尔纤维缆绳围绕球体,按不同纬度平行悬挂,将球体内部的每一层舱板吊起来,如【图2.d】所示。比如,如果使用的是直径50米的球体,第一层应该离球体底部4米,上一层7米,再上一层10米,依此类推。每隔3米一层,一共15层舱板,达到底面以上46米高。这种结构组成的居住地总面积可以达到21000平方米。鉴于结构的自然特点,它无法承担很重的负载,所以内部需要使用某些轻量的材料(如隔音塑料泡沫)进行分隔,把每层分隔为公寓、实验室、食堂、健身房、礼堂,或其他任何需要的空间。人可以在球体的“南极”通过带空气锁的隧道进入该结构。在球体基底打桩的泥土将有助于分散球体质量产生的对火星的压力。竖立一个中央砖柱还可以加强每层的负荷能力,并有助于在结构内引入电梯。由于这一自由竖立的球体高高突出于火星地表,所以用于屏蔽的非承压网格状树脂玻璃拱顶也要比其他几个方案的大得多,但它的质量依然只是在16吨左右。

我们可以看到,在火星地表设立大型居住圆顶,需要在一个新环境中应用大量新型非比寻常的土木工程技术。因此,早期火星建筑可能会模仿罗马式建筑,采用带有简单的地下结构的圆顶。然而,一旦掌握了所需的生产和土木工程技术,50~100米的拱顶网络就可以快速生产和应用,为人类居住和农业生产都开拓大片疆域。在根植于地表的圆顶中(【图2.a,b,c】),人们可以住在相对传统的砖块造成的房屋中(只是没那样的屋顶)。如果只需要农业生产区域,圆顶还可以做得再轻些,因为植物最多只需要0.7 psi的大气压。事实上,由于对气压和稳定性的要求较低,火星圆顶很有可能最初仅用于支持温室农业,然后再逐渐发展为大型室外地表定居点。

制造塑料

正如著名电影《毕业生》中,达斯汀•霍夫曼的一位家庭友人所指出,现代生活的关键物质都是由塑料制成的。进入塑料世界,你的未来就有保证了,我的孩子。既然火星和地球一样,拥有大量天然碳和氢,进入塑料产业的机会在那儿也比比皆是,我们在这个领域大有可为。

在火星上制造塑料的关键是生产合成乙烯,这是第6章讨论过的逆向水气转移反应(RWGS)的一种延伸,RWGS可以用于生产氧气。我们可以在这里回忆一下RWGS:

H2+ CO2 →H2O + CO——(1)

我们用这个反应在火星上生产我们需要的氧气:令火星大气的二氧化碳与氢气撞击,去除一氧化碳,电解得到的水,将释放的氧气储存起来,循环使用得到的氢气生产更多的水,从而得到更多的氧气,周而复始。但是,我们可以做些小小的变动。如果不像等式(1)那样用1∶1的氢气和二氧化碳,而是3∶1,于是:

6H2 +2CO2 →2H2O+2CO2 +4H2——(2)

(是的,我知道我可以去掉等式(2)两边的公约数2,它依然是成立的,但你们就听我的吧。)现在,我们从等式(2)得到了水,把它冷凝出来,也许电解也许不电解,这取决于我们是想要水还是氢和氧。然后,重要的一点是,拿走水之后我们把剩下的东西怎么处理。如果我们把剩下的一氧化碳和氢气混合物拿到另外一个反应器中,在铁基催化剂的催化下,它们可以这样反应:

2CO + 4H2 →C2H4+ 2H2O—— (3)

哦耶!C2H4就是乙烯,重要的燃料,石油化学和塑料工业的关键。反应(3)是强烈的放热反应,所以与第6章中讨论过的产生甲烷的萨巴蒂尔反应一样,可以作为热源,为驱动吸热的RWGS提供能量。它的平衡常数很高,因此可以得到高产量的乙烯。通常会发生副反应,产生丙烯(C3H6)。这是好事,因为丙烯也是一种出色的燃料和宝贵的塑料生产储备物。反应还可能产生蜡质高级烃,它们不那么好,如果不及时从产物中蒸馏出去,可能会产生问题。然而,虽然问题更复杂了,这还是比简单的萨巴蒂尔反应堆有优势。首先,乙烯每个碳上只有两个氢原子,而甲烷有四个。因此,使用乙烯代替甲烷作为燃料,会将制造燃料过程中需要的氢或水减少一半。其次,乙烯的沸点(在1个大气压下)是-104摄氏度,比甲烷的-183摄氏度高得多。事实上,在几个大气压下,乙烯可以在火星平均环境温度中存放,不需要冷藏,而甲烷的临界温度低于火星标准夜间温度。因此,乙烯在火星上不需要使用超低温冰箱就可以液化,而甲烷不行。这能把乙烯/氧气推进剂生产系统所需要的冷藏能量减少为甲烷/氧气生产系统的一半。这也会大大降低隔离乙烯燃料舱的费用,对所得燃料的处理也简单得多。第三,液化乙烯的密度比液化甲烷高50%,因此在火星上升飞行器或者地面火星车中如果使用乙烯代替甲烷燃料,可以用较小并较轻的燃料舱。第四,乙烯除了作为火箭、火星车或焊接用的燃料,还有别的作用。它可以用作麻醉剂、水果的催熟剂,还可以用作减少种子休眠时间的一种手段。所有这些功能对于发展火星基地都是非常有用的。

虽然它已经表现如此出色,但以上这些与乙烯和丙烯的主要使命相比简直不值一哂。它们作为基本原料,可以用于制造聚乙烯、聚丙烯和许多其他种类的塑料。这些塑料可以塑形成薄膜或织物,创建大型充气结构(包括居住的圆顶),并生产服装、箱包、绝缘体和轮胎等。它们还可以做成高密度的坚硬形式,生产瓶子及其他大大小小的水密封性容器、餐具、简单工具、农具、医疗设备,以及数不清的其他小而必要的物件、盒子和各种尺寸形状的刚性结构,可以做成透明或不透明的。润滑剂、密封剂、黏合剂、胶带也都可以被制造出来——这是个长得几乎没有尽头的名单。因此,在火星上开发基于乙烯的塑料制造能力,将为我们提供无穷多的好处,为人类在红色星球上定居打开所有可能性和能力。

塑料制品当然是现代社会最核心的材料。它们可以在火星上制造,因为碳和氢在那儿无处不在。那些认为在月球上定居比在火星上好的人可以暂时闭嘴了。月球上并没有大量可用的碳和氢;在极地环形山永恒的阴影下,在超冷空气之外,它们的含量是百万分之一级别的,就好像海中淘金。在月球上永远不可能制造便宜的塑料。事实上,对月球来说,很长一段时间里,塑料的价值会和同重量的黄金一样宝贵。

参考资料

[1]War of the World,知名科幻小说,2005年有同名电影,由史蒂文•斯皮尔伯格导演,汤姆•克鲁斯主演。

[2] Kevlar,杜邦公司注册的高性能纤维。

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《赶往火星》连载

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10 Responses to “[小红猪]《赶往火星》——在火星上建基地(上)”

  1. paw说道:

    看到 制造塑料 这一段, 瞬间想起这游戏

  2. Atry说道:

    我更愿意呆在地球,用鼠标操作机器人开发火星。

    • laoma说道:

      太阳光到地球约500秒,到火星大约750秒。点一下鼠标,250秒~1250秒后火星车收到信号。8分钟多到40分钟后你才能你才能看到火星车的反应。等得及吗?

  3. 末法时代说道:

    哪有这么麻烦,就地取材或者挖洞才是建基地的最佳方法

  4. y说道:

    这如果在近期能实现的话,那么那些火星上没有的东西,就都从在地球上运了吗?
    结果是又有一个星球惨遭厄运……

  5. 星河的尽头说道:

    把火星大气环境改变到适合人类直接呼吸得需要上千年的时间吧....路漫漫

  6. 马上到说道:

    我想起了山西的窑洞。增重会让火星向太阳滑落。可以用慧星以合适的角度撞击火星。

  7. 刘佳琦说道:

    一旦移民成为事实,必定会涉及到国家国土问题

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