火星上可以建立城市吗?

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hqw333333 发表于 2023-8-31 04:23:28|来自:北京 | 显示全部楼层 |阅读模式
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火星那种环境城市如何建造?
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rety2007 发表于 2023-8-31 04:23:50|来自:北京 | 显示全部楼层
“如果人类想要延续下一个 100 万年,须涉足无前人所及之处”——斯蒂芬·霍金
征服火星,是各种科幻作品中非常热衷的题材之一。从美国天文学家帕西瓦尔·洛厄尔在1895年写下的《火星》一书开始,在火星上建立星罗棋布的城市,就是人类长久以来的梦想。
但是在那之前,首先需要解决的是火星的【太阳风】问题。
与地球的大气状况不同,强烈的太阳风以每秒 100 克的速度剥离火星上的大气层,地表水分快速蒸发,同时空气也荡然无存。如果我们想在火星上建立城市,那就需要一个类似地球的大气环境。
NASA 曾经公布过一个非常激进的计划:在火星和太阳之间的L1轨道上,建立磁偶极场。用大小相等、方向相反的磁极,组成“人造磁场”,以保护火星免受“太阳风" 的侵袭。据NASA 所称,如果该计划可以顺利实施,火星的大气层将在几年时间恢复到和地球相当。



( NASA 的“人造磁场”改造火星示意图)

这样听起来,在火星上建立城市,岂不是手到擒来?
但其实以人类当下的技术条件,建立一个人造磁场并将其成功送入轨道,几乎不可想象;同时该项计划会耗费天文数字般的费用,仅仅以 NASA 一家来说,根本支撑不住对该计划的推进。
除非地球即将爆炸,否则人类是断不可能从现在开始对火星进行移民改造。
不过,建立类似于科幻电影《火星营救》中的全封闭半永久式的科考基地还是完全有可能的。尽管技术挑战不小,资金耗费巨大。美国和俄罗斯等主流航天大国,却都已经开始储备自己的火星基地方案。



(中国金昌“火星 1 号基地”全景图)

而就在前不久的10月11日,我国的火星探测器首次向媒体进行展示。我们对于星辰大海的野望,从来都没有停止过。
当你抬头仰望浩瀚的星海,是否也曾幻想过飞向那颗红色的星球。如果我们在火星上建立基地,那它应该是什么样子?
带着这样的向往,领克来到了甘肃金昌“火星1号基地”。在这个被专家称为“中国最像火星”的地方,就让我带着各位去体验一把独特的“火星漂流”吧。

领克 01 火星探索之旅
https://www.zhihu.com/video/1168458609146433536



(领克 01 全新 “火星金”配色,气势不输火星车)



(领克 01 驰骋于丹霞地貌上)



(领克 01 的 “火星奇幻漂流”)

想要了解更多有关资讯,快来戳链接~
领克
十四 发表于 2023-8-31 04:24:07|来自:北京 | 显示全部楼层
火星移民已经不再遥不可及了,至少目前是有希望在几十年以内实现载人火星。当我们想在火星上生活下去,就需要建立城市,但是在火星的严酷环境下,我们可以建立城市吗?我认为是可以的,而且接下来我将先阐述全面改造火星环境的不必要性,以此说明建造封闭式基地可能是目前最好的方案,再为你介绍如何利用火星来建造人类的城市。

如果以人类现有的技术,我们想实现登陆火星的突破的话,人类如果愿意付出一定的价钱,也就是天量的预算,我们是可以做到的,我们可以把六七十年代的那些最强力的火箭更新甚至做的更好,我们也可以开发出最新的可以着陆火星同时返回火星轨道的大型火箭,这都不是问题。

但是显然它的优先级现在并不高,因为地球上有太多的东西还需要被解决了,比如说我们的技术在很多方面还不是完美的,而且地球上很多国家还在疯狂的内耗,我们还要面临战争的威胁,我们还需要花掉天量的钱来维持军费,这都是代价。

那么如果有一天我们的家园变得不再那么美丽,换句话说,我们已经无法拯救了,我们该怎么办?

也就是说如果地球不再值得人们去居住的话,那么人类就要逃离地球,或者在经过了一定的妥协之后,人类会想着一方面在地球上坚持着努力生存,另外一方面就需要前往火星开拓新的领地。

因为以人类可以预见的几百年内的技术,逃离太阳系前往其他星系是非常非常困难的,因为那些星系动辄以光年来记,光年可是以万亿公里来计的距离,人类是根本就没办法突破的。

而太阳系内距离我们最近的几个金星、水星,包括月球都是很难开发的,土星、木星这些又是气态行星它的内部到底如何?我们完全未知,基本上相对而言,火星是唯一的选择。

显然最理想的话当然是整体开发火星,我们把火星改造成一个像地球一样充斥着各种生命,各种能量形式的生机勃勃的火星。我们可以有很多很多的物种,由很多很多的地貌有湖泊、有森林、有高山。

然后我们也可以利用化学能,包括我们吃的食物都是化学能,我们也可以利用各种水能、风能、电能、核能,这个当然是最理想状态。

但是现实吗?

人类探测火星,六七十年代就开始了,当时的成功率非常低,1/3 都不到,但是苏联和美国前赴后继,苏联更加是屡败屡战。80 年代虽然偃旗息鼓,但是 21 世纪基本上迎来了各国发展的一个高潮,也可以说是整个人类最大的高潮,甚至直到今天,也就是 2018 年上半年,还依然有八个正在工作状态的火星轨道器和探测器在研究火星。

可以说人类现在对火星的研究,已经是越来越深刻了。

那我们先看看它的条件,我们到底有没有必要去全面改造火星?

总体而言,火星的研究大概分为以下几个结论。

第一,火星的地质运动已经极其微弱了,几乎没有板块运动,地底的能量也已经散失殆尽了。

磁场过于微弱,几乎接近于无,那么就意味着它无法防御太阳风和宇宙辐射,也无法保护大气。

另外一方面就是由于没有大量的地质运动,大气是没有任何补充的,没有地下的东西涌出来。

第二就是火星不可逆的水分散失过程。

火星也许在 30 多亿年前和地球的情况比较类似,有海洋和湖泊,可能它们呈现一定的酸性,这是好奇号研究成果,但是它们基本上是能够维持一定的原始生命的。

因为也就在 2018 年 6 月初好奇号刚刚宣布了发现了远古有机物存在于火星的痕迹,但是也大概是从数亿年前,火星陷入了不可逆的水分散失过程,这跟它的大气和磁场也是有关系的。

第三是大气流失的不可逆。
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defiler 发表于 2023-8-31 04:24:36|来自:北京 | 显示全部楼层
我汇总前人探测火星的一些数据,回答能否在火星建立城市的问题以及如何在火星建立城市的一整套思路。
一起忽悠有钱大佬们去火星建国。




图片来自游戏火星求生

    随着spacex重型猎鹰成功发射,马斯克的火星殖民计划越来越近了。 火星平原广阔,阳光充足,温度适宜,矿产资源丰富,水资源充沛,有足够科技实力的话,毫无疑问是个种田的好地方。    火星距离地球比较远,没有任何 国家政治势力军事力量可以干涉到。毫无疑问是个绝对ziyou的地方。意味着殖民者有足够人力的话,火星有立国之资。     另外地球经历过多次大灭绝事件。在火星多一个人类的备份,一个随时可以逃难的庇护所,对于人类来说还是很有必要的,哪怕要花不少钱。
所以我也声援一下,自己不想去火星也可以忽悠大商人们去建造这个火星殖民地不是吗?下面我来鼓吹一下地球到火星的旅行和火星殖民地开发。
我把这个议题拆解成以下五个课题
1.地球和火星之间的运输
2.火星城市的选址
3.火星城市的建设
4.火星城市温度控制和能量供应
5.火星城市的展望
下面按照拆解的思路分别给出答案。
1.地球和火星之间的运输
  下图是地月系和火星之间的速度变量图,也就是旅行△V图。 EML是拉格朗日点。


    这个图片是另一种画法,和上面的图差别不大,△V单位是千米每秒。


引用祖布林的《赶往火星》,目前的火箭技术例如土星5号或者spaceX的BFR。大约旅行时间如下图所示








这个图是马斯克给的BFR旅行时间图。



     从数据中我们可以看出,选择合适的发射窗口出发,走霍曼转移轨道,最终到达的时候是在出发点相对的太阳的另一边。这个是最节省能量也是最优的一种轨道。下面是用以上方案火星旅行四人团队生活所需的估计。




  祖布林是NASA一个团队的领导者,美国火星探索计划的制定者之一。他这本书的出版时间是1996年。在今天看来这本是有点点老,但是由于近20年火箭的技术没有根本性改变,航天技术也没有太大进展。这本书还是非常有参考价值的。
   这个是这本书的百度网盘链接https://pan.baidu.com/s/11NRKe_vulFe2TKGjAf3ySA




    到达火星以后,飞船需要借助火星的大气层多次减速,然后降落到火星上面。整个旅行过程中受到的射线和太阳风辐射如下图。这个辐射是人类可以承受的。


     地球高轨道到达最近的近地小行星需要的速度变量很小。50m每秒左右。




   S型近地小行星上面主要以金属化合物和硅酸盐为主。在捕获的近地小行星上面,利用太阳能和和核能,通过高温加热和电解熔盐的方法可以获得互相混合的合金和氧气等氧化剂。
       利用熔点和液化点的不同可以分离金属和气体。氧气等可以作为火箭的推进剂,金属可以用于3D打印庇护所和金属反射镜作为太阳炉。
       这样一个燃料补给站。可以极大地增加前往火星的运输量。降低火星运输的成本。     
    俘获可选的近地小行星NEA列表如下。这个△V指的是从近地轨道LEO到达近地小行星的速度变量。我们可以对比发现到达近地小行星和到达地球逃逸轨道所需的速度增量差异非常小。 e是离心率,MOID是最靠近地球的距离(单位是AU)。
     更多小行星数据请参考 http://www.asterank.com。需要翻墙。



     近地小行星中有一些公转轨道和地球轨道火星轨道都相切。如果选择好发射窗口。飞船可以停靠在这类近地小行星上面。
     一边通过系绳固定在小行星上,让飞船围绕小行星旋转获得1g的离心加速度。一边用携带的高温熔盐电解设备电解熔盐获得氧气等推进剂氧化剂作为飞船减速和变轨所需,一边用电解获得的金属加厚屏蔽层或者建造小型基地和太阳炉获得更多能量来源。 并为后续的飞船做燃料储备。
       另一方面。一根5千米的芳纶凯夫拉绳子一端固定在小行星上,一端固定在飞船上。可以让飞船加速旋转到5g离心加速度。根据飞船离开地点的不同,可以获得正负500米每秒之间的一个速度增量△V。这个设施可以用于加速,也可以用于减速。  
      下图是太阳系小行星分布图。红色的是近地小行星,公转轨道分布在金星轨道到火星轨道之间,目前观测到的数量是19560颗。绿色的是小行星带。目前观测到的数量是70多万颗。




      另外,在火卫一和火卫二上面也可以用电解高温熔化硅酸盐的方法获得氧气等推进剂氧化剂和金属。用3D打印设备制造金属板,金属板在真空中不会氧化,抛光后有非常好的反射效果。火卫二公转轨道和静止轨道非常接近。反射镜阵列用很小的速度变量就可以进入火星同步静止轨道。
      在火星基地正上方的静止轨道建造大面积的金属反射镜可以用于提高基地的温度,并提供充足的阳光用于温室种植作物和光热光伏发电。
       有了静止轨道的反射镜。火星基地在夜间也会有充足的光能,可以用比较简单的方法获得合适的温度。
       反射镜方向调节是用可以遥控的动量轮来实现的,这个技术正是火箭调整方向和卫星空间站让太阳能板一直朝向太阳的成熟技术。     
    火卫一(Phobos,英语发音"FOH bus"福博斯)呈土豆形状,一日围绕火星3圈,距火星平均距离约9378公里。 它是火星的两颗卫星中较大也是离火星较近的一颗。火卫一与火星之间的距离也是太阳系中所有的卫星与其主星的距离中最短的,从火星表面算起只有6000千米。它也是太阳系中最小的卫星之一。  质  量1.0659✕1016kg,平均密度1.872 g/m³,直 径约 27km✕ 22.2 km✕19km。自转周期7小时39.2分钟。  
      火卫二(英语:Deimos ,中译:戴摩斯)是火星最小的一颗卫星,逃逸速度为5.6 m/s (20 km/h),它是火星较小和较外侧的已知卫星,公转轨道距火星23,459千米,接近于火星同步静止轨道的17000千米。轨道离心率: 0.0002,轨道周期: 1.26244 d,平均公转速度: 1.35 km/s,轨道倾角: 0.93° (to Mars' equator) 1.793° (to the local Laplace plane) 27.58° (to the ecliptic) 大小: 9 × 7 × 6 km,平均直径: 7.3 km,质量: 2.244×10e15 kg (3.756×10-10 Earths),平均密度: 2.2 g/cm³ 赤道表面重力: 0.0039 m/s²(3.9 mm/s²) 0.00040 g (400 μg),宇宙速度: 0.0069 km/s (6.9 m/s),自转周期:同步自转,反照率:0.07,温度: ≈233 K,火卫二和火卫一是由像C型小行星那般的富含碳的岩石组成的,并且它们都有很深的地坑。
火卫一和火卫二的元素构成可能接近于以下比例:40-45%的氧元素、18-25%的硅元素、12-15%的铁元素、2-5%的铝元素。




2.火星城市的选址
现在快到火星了,准备开始选择火星上的着陆点也就是未来基地的地址。
我们先来看看火星的全地形图和水文图。火星北半球地势低而平缓。南方多高山山地和高原。但也有一个直径2000公里的撞击盆地海拉斯,又叫希腊平原(Hellas Planitia)。海拔低于基准点8200米。是火星上面地势最低的地方。水资源十分丰富。




下面我们看看火星探测器获得的的氢当量分布图和中低纬度冰川分布图。这代表着有比较容易获得的水源。这些资料来自JPL发布的火星研究论文中。    火星高纬度氢当量分布图。也就是火星水含量分布图。    火星中低纬度氢当量分布图。   下面我们看看火星探测器获得的的氢当量分布图和中低纬度冰川分布图。这代表着有比较容易获得的水源。这些资料来自JPL发布的火星研究论文中。    下图是火星高纬度氢当量分布图。也就是火星水含量分布图。     





  THIS是火星中低纬度氢当量分布图。

      火星上存在一些冰川,这个图片是火星的冰川分布图。配一个火星地名图便于对照查看。





引用于这篇文章:Distribution and character of mid-latitude glacier-like forms on Mars;
   虽然南半球的希腊盆地非常完美,海拔低,纬度不算高。但是有两个问题,一个是因为火星夏季的时候南半球靠近太阳,冬季的时候南半球远离太阳。所以冬夏温差非常大。这个也造成了南半球的风暴比北方强很多。
    所以早期开发排除了希腊盆地。我们初步选定了三个地区。如下图红框所示。首先要靠近赤道,节省火箭发射需要的燃料,阳光充足,温度适宜,;其次水资源必须丰富,有丰富冰川和地下水可以方便地取用;其次是地势要低而平坦,便于发展种田发展种植大棚。最后需要矿产资源丰富,便于建造大型工业基地。




祖布林选择的基地地址是在月高原南部附近。主要是为了地质考察考虑。




3.火星城市的建设
现在我们已经着陆了。我们选择了这个区域,火星亚马逊平原的一个冰川边缘登陆,准备开始建造火星基地。



首先用遥控火星车把重3.5吨的80KW的核电站放到远处的一个陨石坑里面或者一个小山后面。把导线拉过来供电。铺设一些太阳能电池板也是有必要的。



然后在火箭旁边放下金属居住仓,然后找一个长坑或者自己挖一个长坑,把充气的达到80Kpa的充气居住舱放里面。再用挖掘机挖土,覆盖在居住舱上面,厚度0.2米,达到比较好的防辐射和保温效果。当然后续会用厚厚的火星陶瓷和火星砖来替代。
   现在简易的居住环境已经搭建好了,下面开始我们在火星的大工业化进程和小说主角马日天的种田进程。



首先是收集二氧化碳。火星大气中有95%的二氧化碳。这些二氧化碳可以用于制造火箭推进剂,也可以用于种植作物。



然后用这些容器里面的二氧化碳制造甲烷和氧气,用于返回地球的货运飞船使用。这个过程是个放热过程,催化自己进行,叫做萨巴蒂尔反应。




    然后收集水资源并电解,获得氢气和氧气,用储罐存储起来。收集含铁量高的土壤。用氢气还原获得铁和水。收集含铝量较高的土壤,电解法获得铝。用3D打印机制造结构材料。然后收集二氧化硅和含钙量高的岩石,用反射镜太阳炉和氢气氧气燃烧获得的高温制造玻璃板。     
     这些材料可以帮助我们建造一个温室。用来种植蔬菜,土豆和小麦。这个加固结构在外面而不是里面。因为有接近一个大气压的压差。




     由于火星土壤不适合直接种植,我们需要通过土壤搭配获得合适的土壤。或者用液体栽培法或者纤维网气培法。这正是南极科学基地种植蔬菜用的方法。   







     种植获得的蔬菜和水果在低压室中会快速脱水,水可以收集起来。脱水的蔬菜和土豆即使不做特殊处理,在火星大气环境中也可以达到数年的保质期。因此大量的大棚温室可以支撑起火星百万以上人口城市的食物来源。   下图为火星殖民地都市模拟图。有点过于夸张,比如穹顶材料要求高。





4.火星城市温度控制和能量供应
      海盗1号(1976年7月20日在22.40N、47.50W着陆) 测得昼夜温度分别为-34℃和-85℃;    海盗2号(1976年9月3 日着陆点在47.970N)测得昼夜温度分别为-30℃和-81℃;昼夜温差均为51℃。    在火星近日点最大照度时水手7 号和水手9 号测得赤道为17℃,夜间为-25℃。凤凰号测试夏季极冠附近白天-43℃,夜间-63℃。 [1]  
    对比南极基地的温度。火星的温度非常不错。
    中国南极泰山站夏季最低温度在-30℃,冬季最低温度-60℃左右;   
    中国南极昆仑站座落于南极内陆冰盖最高点冰穹A地区,海拔4087米,当地年平均气温约为零下58摄氏度,已测得最低温度在零下82摄氏度以下。昆仑站目前为度夏考察站,可满足15-20人在南极夏季从事科学考察活动。



       目前很多南极基地都自建了温室大棚保证蔬菜供应,部分蔬菜所需光能采用电灯LED提供。    中国南极长城站夏季最低温度是-2.7℃,即使冬季最低温度,也只有-26.6℃左右。   
        下面这个图片是中山站的蔬菜种植温室照片。


    所以,要在火星种菜种土豆,除了要在大棚周边架设阳光反射镜,像南极种菜温室一样用燃烧汽油和电暖器保持大棚温度,最好还是可以在赤道上方的静止轨道用火卫二熔岩电解获得的金属制造大面积的反射镜,用来给基地温室白天和晚上提升温度,增加食物产出。这样才能支撑起百万人口的食物需求。    1000mx1000m面积的反射镜就可以全天候额外提供给基地额外的近500兆瓦的太阳光能量,相当于半个大亚湾核电站机组的功率,等同于香港750万人的耗电功率,早期的反射镜薄膜建造需要从地球运输过去,100mx100m重1.2吨。提供额外5MW的阳光。
     用静止轨道的太阳发射镜,可以把火星基地所在区域的温度维持在全年-20-30度之间。类似于我国东北地区的温度。 通过调节反射镜的弧度来调节聚光点的面积。让火星殖民基地全年温差更小也是可以实现的。


      通过电动机和动量轮,编程和遥控技术就可以控制反射镜的方向,不需要推进器。这个阳光汇聚的焦点面积可以随时调节,用于火星基地城市升温或者光热发电。    下图为火星赤道上方的静止轨道阳光反射镜。弧度可调。






在地球上面发展得比较好的光热发电技术可以为火星殖民地带来充足的能源。光热发电的好处是设备工艺技术简单,不像太阳能板需要非常先进的制造技术和庞大的工业体系才能制造。即使火星夏季会有几个月的尘暴天气,选择在不受尘暴影响的高原等区域来做光热发电站或者光伏发电站都是比较好的选择,输电导线可以直接铺在地面上,用比较低的成本做到长距离输电。  火星上面有较为丰富的风能,也可以用大型风力发电机来发电。     




光热发电系统



全球塔式太阳能光热发电站

  5.火星城市的进一步发展
    月球距离地球38万千米。火卫一轨道高度9378千米,距离火星地面约5950千米,火卫二轨道高度约23459千米,距离火星地面18000千米。火星静止轨道高度是17000千米,距离地表13650千米。在火卫一和火卫二之间。因此火卫一和火卫二的几万亿吨原料有非常多的用途。火卫一和火卫二都必然会建立起航天港和工业基地。为人类的太空殖民做出较大的贡献。火卫一和火卫二比月球好开发多了。即使没有集中的矿藏,整体元素丰度构成接近如下图地壳的元素丰度,也能够通过磁选,加热融化蒸发等方法冶炼获得金属单质,或者接近玻璃、陶瓷和玄武岩铸石板的材料以及相关材料的纤维。




     现在已经过去了50年,现在是2075年。这个时候马日天在火星地面建造了多个城市,有了比较完善的工业基础。火卫一和火卫二上面也有冶金工厂和太空飞船火箭制造厂。地面上建立了四通八达的铁路网可以把水资源,矿产资源,工业品等运输到视界城。火星人口达到150万。于是马日天准备立国了。   下图是马日天建造的火星城市和火星铁路网。




    马日天二世组织专家算了一下,地球上面建造太空电梯是不可能的。但是火星太空电梯是可行的,火星这时候一年的芳纶凯夫拉纤维制造能力是1万吨。专家估算太空电梯的受力。发现太空电梯用微分法计算。每一段受力等于火星万有引力减去太空电梯那一段围绕火星自转的离心力。
      火卫一公转轨道速度是2.138 km/s。芳纶受力强度是2000Mpa。那么从火卫一伸一根芳纶绳子下来是没有问题的。绳子到了火星地面绳子末端对地速度是713米每秒。减去火星自传的速度260米每秒,还剩453米每秒。这样用电磁弹射器补一下速度就好了。

飞机可以直接用太空电梯升到火卫一。    马日天二世脑袋一拍,觉得很划算。于是决定干了。  
    下面是马日天二世修的火星一号太空电梯。  整体分成20段,每段300km,每段有个用铝镁合金和少量钛合金框架制造的中转平台。
    起点平台距离火星表面15km,空气稀薄,每年对电梯和火卫一的高度影响较小。末端平台直接通过钢结构固定在火卫一上。越靠近火卫一,平台之间连接的钢索,碳纤维索和芳纶索(凯夫拉纤维)就越多。
      起点平台只有8根拉索。靠近火卫一的平台有超过256根拉索。使整个太空电梯平台有较好的稳定性,抗老化,抗破坏,易维修。太空电梯靠近火卫一的路段,质量的增加相对不敏感,使用通电铝轨+摩擦轮驱动运输仓。靠近火星的路段为了减重,使用双头拉索来驱动运输仓。
  每次从火星地面运输货物到火卫一都会使得火卫一轨道有轻微的降低。对于直径十多千米,质量十万亿吨的火卫一影响很小。



火星太空电梯示意图

     有了太空电梯以后,火星在宇航开发上获得了巨大优势,宇航工业和飞船制造业迅速超过了地球。并带动了就在旁边的小行星带的开发。这个时候马日天二世启动了鼓励生育计划。火星人口获得了爆炸式的增长。火星GDP迅速追上了地球GDP。



    又过去了150年,也就是2225年。    这个时候火星率先研发了核聚变火箭。    直到马日天8世开发改造了小行星带里面的太阳系最大金属小行星灵神星,改造成直径200公里的太空堡垒。从隔壁的谷神星和木星卫星上获取聚变燃料。飞到地球边上。希望建立大太阳共荣圈。    地球政权从善如流。交出了100亿人口。于是马日天太阳帝国建立起来了。一步步加强科技研发,准备进军其他恒星系。


  导入功能还不是很好用,有点儿乱。
ghostlees 发表于 2023-8-31 04:25:05|来自:北京 | 显示全部楼层
个人认为气候改造难在无法短时间实现,封闭式基地难在保证安全性。
其实可以换一个思路。无法改变环境的时候,不如改变我们人类自己。
#人体改造#才是未来殖民火星,以及星际旅行最容易实现,成本最低的方式。
即使无法实现攻壳里有些超前的电子脑,替换全身器官只保留大脑也不错。机械体内可装备氧气血液循环和ATP发生器供给脑神经。
qiyecha 发表于 2023-8-31 04:25:34|来自:北京 | 显示全部楼层
征服火星,必须通过建立封闭城市和基地的方式,不可能全面改造火星

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。
最理想的方案当然是整体开发火星,可是以目前人类航天对火星的认知能够满足这个可能性么?


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. 火星的地质火星已经极其微弱,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。


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。

以上,希望我国2020火星探测一切顺利!
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