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人类能实现殖民火星么?来看看科学家们的回答
2020-01-13           作者: 科技领航人

关于人类很快将在火星上建立繁华、持久的殖民地的建议,我们许多人都认为是理所当然的。然而,这一远大的远见卓识所未能领悟的,是那些希望永久生活在火星上的殖民者所面临的巨大而艰难的挑战。除非我们从根本上使我们的大脑和身体适应恶劣的火星环境,否则这颗红色星球将永远不受人类的限制。

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在整个太阳系中,火星是离地球最近的东西,这没什么大不了的。

这颗红色的行星是一个寒冷、死亡的地方,大气层比地球薄100倍。火星上存在的少量空气主要是由有害的二氧化碳构成的,这对保护火星表面免受太阳有害射线的伤害作用不大。火星上的气压很低,600帕斯卡时,只有地球气压的0.6%。你也可能暴露在真空中,导致严重的弯曲,包括肺破裂,皮肤和身体组织危险肿胀,最终死亡。稀薄的大气也意味着热量不能留在表面。火星上的平均温度是零下63摄氏度,最低温温度会降到零下126摄氏度。相比之下,1982年6月23日,地球上有史以来最冷的温度是在南极洲的沃斯托克站,摄氏零下89度。一旦温度降到零下4.5摄氏度华氏度以下,没有穿好衣服的人可以预期在5到7分钟内体温会下降。

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火星的质量也比人们通常认为的要轻。这颗红色行星的重力是地球的0.375,这意味着地球上一个80公斤的人在火星上的重量不到30公斤。虽然这听起来很有吸引力,但从长远来看,这种低重力环境可能会对人类健康造成严重破坏,并可能对人类的生育能力产生负面影响。

然而,尽管有这些和其他问题,有一个流行的想法充斥在我们周围,我们很快就能轻松地在火星上建立殖民地。SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克早在20世纪50年代就计划在火星上建立殖民地,而威斯敏斯特大学的天体生物学家刘易斯·达内尔(Lewis Darnell)则给出了一个更为温和的估计,他说,“有相当多的人搬到火星去生活,这将是50到100年前的事。”阿拉伯联合酋长国的目标是在2117年前建成一座拥有60万人口的火星城市,这是对未来更具野心的愿景之一。

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可悲的是,这简直是科幻小说。毫无疑问,人类最终会造访火星,甚至建立一两个基地,但我们很快就会建立由成百上千人居住的殖民地的想法纯属胡说八道,完全否认这种前景带来的巨大挑战。

先驱航天工程师路易斯·弗里德曼是行星学会的联合创始人,也是《人类太空飞行:从火星到恒星》的作者,他将这种毫无根据的热情比作1940和1950年代提出的未实现的设想。

弗里德曼告诉媒体说:“那时,像《大众力学》和《大众科学》这样的杂志封面故事展示了海洋和南极的殖民地。”他说,感觉是人类会找到一种方法来占据地球的每个角落,无论多么具有挑战性或不适合居住。 “但这并没有发生。 我们偶尔访问南极洲,我们甚至在那里有一些基地,但就是这样。 在海洋之下更糟糕的是,人类的操作有限,但实际上它真的非常非常少。“至于这些环境中的人类殖民地,不是那么多。 事实上,尽管我们可以相对轻松地实现这一目标,但根本不是这样。

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登月后,弗里德曼说,他和他的同事们对未来非常乐观,相信“我们会做越来越多的事情,比如在火星和月球上建立殖民地”,但“事实是,没有人类航天计划,无论是阿波罗计划、航天飞机计划,还是在“国际空间站”为在火星上建立殖民地奠定了必要的基础,例如建立必要的基础设施,找到安全可行的食物和水的来源,减轻辐射和低重力等有害影响。他说,与其他领域不同的是,人类太空飞行的发展“已经成为静止的”。弗里德曼同意我们可能会在火星上建立基地的观点,但“历史证据”表明,在可预见的未来,殖民地化不太可能。

佛罗里达大学的神经学家雷切尔·塞德勒说,今天很多人都没有意识到在这个红色星球上维持殖民地是多么困难。

“人们喜欢对开拓火星的想法持乐观态度,”塞德勒(Seidler)告诉媒体说,她是一位研究运动学和微重力对宇航员影响的专家。“但这听起来也有点像天上的馅饼,”她说。“很多人认为我们不应该根据实际情况限制自己,但我同意,有很多潜在的负面生理后果。”

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塞德勒说,美国宇航局和其他航天机构,目前正在努力为生活在火星上的各种负面影响制定和测试对策。例如,国际空间站上的宇航员在太空中进行力量训练和有氧训练,以抵消他们的肌肉和骨骼损失。至于治疗由此产生的负面健康影响,不管是长期停留在国际空间站还是长期生活在火星的低重力环境中,塞德勒说:“我们还没有对策。”

在她最新出版的《关于未来:人类的前景》一书中,宇宙学家和天体物理学家马丁·里斯(Martin Rees)非常简洁地论述了火星殖民的问题:

  • 到2100年,寻求刺激的人…可能已经建立了独立于火星或小行星上的地球的“基地”。太空人埃隆·马斯克(生于1971年)说他想死在火星上,但不想死在撞击中。但千万不要期望大量移民离开地球。在这里,我强烈反对穆斯克和我已故的剑桥大学同事斯蒂芬霍金,他热衷于大规模火星社区的快速建立。认为太空能让我们摆脱地球的问题是一种危险的错觉。我们必须在这里解决这些问题。应对气候变化似乎令人望而生畏,但与地球形成的火星相比,这是一个棘手的问题。我们太阳系中没有一个地方能提供像南极或珠穆朗玛峰顶端那样温和的环境。对于规避风险的普通人来说,没有“行星B”。
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事实上,这是一个需要考虑的问题。通过地形形成,科学家们指的是地球工程的假设前景,使一个行星适合人类和其他生命居住。对火星来说,这意味着向大气中注入氧气和其他气体,以提高地表温度和气压,以及其他干预措施。赞成火星殖民地化的一个常见论据是,它将允许我们开始将火星转变为可居住状态的过程。许多科幻作家,包括金斯坦利·罗宾逊在内,在他广受赞誉的火星三部曲中,都探讨过这种情况。但正如弗里德曼对媒体所说,“这至少是几千年前的事了。”

普渡大学(Purdue University)行星科学助理教授布里奥尼•霍根(Briony Horgan)表示,火星地球化是一种白日梦,这种前景“远远超出了我们即将拥有的任何技术,”她告诉媒体。

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当涉及到造地火星时,还需要考虑后勤保障,以及地质工程师可以利用的材料,他们将敢于开始这样一个多代项目。博尔德科罗拉多大学的布鲁斯·雅各斯基和克里斯托弗·爱德华兹在他们2018年的《自然》杂志上,试图了解在不穿压力服的情况下,需要多少二氧化碳来增加火星上的空气压力,使人类能够在火星表面工作。提高温度,使液态水能够存在并在表面持续存在。Jakosky和Edwards得出的结论是,火星上没有足够的二氧化碳来形成地球,未来的地球工程师必须以某种方式输入所需的气体来形成地球特征。

坦白地说,将火星地球化不一定是不可能的,但所需的时间和技术排除了在可预见的未来在火星上维持大型、充满活力的殖民地的可能性。

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在这之前,一个没有地球化的火星将为冒险的先驱者提供一个充满敌意的环境。首先,最重要的是要应对强烈的辐射,这将使殖民者面临持续不断的健康负担。

霍根说,在火星殖民地化过程中,有许多重大挑战,其中之一就是辐射暴露。她告诉媒体:“这是一个‘很多人,包括在SpaceX的人’,没有考虑太清楚的问题。”她说,住在地下或屏蔽基地可能是一种选择,但我们必须预计,考虑到随着时间的推移,癌症发病率仍将“增加一个数量级”。

霍根说:“只有辐射防护,你才能在火星上活动。”“我们可以将风险量化一年左右,但不会超过超长期。问题是你不能永远呆在那里(即地下或基地里)。一旦你出去做任何事,你就有麻烦了,”她说。

霍根指出,最近的一项自然研究表明,火星上的辐射比我们想象的要严重得多,他补充说:“我们还没有长期的解决方案,除非你想冒辐射疾病的风险。”根据暴露程度,过度的辐射会导致皮肤灼伤、辐射。会导致疾病、癌症和心血管疾病。

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弗里德曼认同,原则上,我们可以在火星上创造人造环境,无论是通过建造圆顶还是地下住宅。他说,辐射问题可能是可以解决的,但问题仍然很大,从某种意义上说,是反人类的。

火星殖民地的生活将是悲惨的,人们被迫生活在人工照明的地下基地,或是在受严密保护的地面站,那里的户外通道极为狭小。在这种封闭的环境中生活,接触表面的机会有限,可能会导致其他与专属室内生活有关的健康问题,如抑郁、缺乏刺激导致的无聊、无法集中精力、视力差和血压不高。

提到与自然完全脱节。像国际空间站一样,火星的栖息地很可能是一个微生物沙漠,只有很小的细菌样本可以维持人类微生物群的健康。

另一个问题与动机有关。正如弗里德曼早些时候指出的,我们没有看到殖民者生活在南极洲或海底,那么为什么我们要期望一大群人想要生活在一个相当不愉快的地方呢?它似乎是地球上生活的一个糟糕的替代品,而且在生活质量方面无疑是更糟糕。甚至有一个强有力的例子可以证明,对于希望生育下一代火星殖民者的未来家庭来说,这是一种近乎残酷的行为。

这是假设人类甚至可以在火星上繁殖,这是一个悬而未决的问题。撇开辐射对发育中胎儿的有害影响不谈,还有一个概念问题需要在生活在微重力环境中考虑。我们不知道精子和卵子如何作用于火星,也不知道怀孕的第一个关键阶段将如何发生。最重要的是,我们不知道重力有多低会影响母亲和胎儿。

塞德勒是人类生理学和运动机能学专家,她说火星上的人类怀孕问题是一个棘手的未知数。她说,发育中的胎儿很可能在子宫里坐得更高,因为重力较低,会压迫母亲的横膈膜,使母亲呼吸困难。低重力也可能“混淆”妊娠过程,延迟或干扰胎儿发育的关键阶段,如胎儿在第39周前下降。在地球上,骨骼、肌肉、循环系统以及人类生理学的其他方面都是靠重力作用而发展起来的。有可能人体会适应火星上的低重力环境,但我们根本不知道。人工子宫可能是一种可能的解决方案,但同样,这不是我们很快就能接触到的东西,也不能解决与胎儿发育有关的低重力问题(除非人工子宫放置在离心机中模拟重力)。

有一个强有力的证据表明,任何在火星上生育的企图都应该被禁止,直到知道更多。 在距离最近的3400万英里的星球上执行这样的政策完全是另一个问题,尽管人们希望火星社会不会倒退到无法无天状态,完全无视公共安全和既定的道德标准。

对于其他殖民者来说,火星上最小的重力可能会导致长期的严重健康问题。对参加了长达一年的长期任务的宇航员的研究显示出令人不安的症状,包括骨骼和肌肉的功能退化、心血管问题、免疫和代谢紊乱、视觉障碍、平衡和感觉运动问题,以及许多其他健康问题。这些问题可能不像火星上的那些问题那么严重,但我们还是不知道。也许在5年、10年或20年的持续低重力暴露之后,类似的重力相关疾病也会出现。

塞德勒对微重力效应的研究表明,这是一种明显的可能性。

“是的,由于火星的部分重力环境,火星上会发生生理和神经的变化,”她告诉媒体。“目前还不清楚这些变化是否会在某个时刻趋于平稳。我的研究表明,在微重力下,颅骨内的大脑向上移动,灰质的某些区域增加,其他区域减少,大脑白质内的结构变化,以及液体向头顶移动。”

塞德勒说,这些变化中的一些会随着微重力暴露的时间而变化,从两周到六个月不等,但她并没有超出这个范围。

她说:“这些影响中的一部分最终会被稳定下来,比如说,颅骨所能容纳的液体体积有一个结构上的限制。”“而且,神经系统的适应性很强。它可以“学习”如何控制微重力下的运动,尽管感官输入发生了变化。但同样,还不清楚上限是什么。”

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