去火星肯定行?登月第二人:飛機到登月才用了66年

當奧爾德林在1969年登上月球時，無數的年輕人被這個故事迷住了，繼續追求STEM（科學、極速、數學以及物理）領域的事業，希望能取得類似的成就。事實上，奧爾德林非常清楚這種行為對青少年科學態度的影響，他強調稱：「如果我們開始投資於未來一代，最終我們肯定能登上火星。」

出品|網易科學人欄目組

譯者|小小

人類渴望走出宇宙，漫步在火星這顆紅色星球的荒蕪平原上。許多報導稱，伊隆·馬斯克（Elon Musk）及其SpaceX公司已經成為這個領域的先行者。然而，美國宇航局、中國航天局以及以及火星協會等機構也正在訓練和部署原型機，並在努力解決嘗試將人類送上火星所遇到的挑戰。但是，在我們如何使幫助人類脫離地球（並在整個過程中保持心理和身體健康）的細節中，自然而然的，搞清楚我們為何要前往火星同樣至關重要。最近接受採訪時，著名太空人、工程師、登上月球的第二名人類巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）解釋了為什麼火星探索和發現如此重要，並談及為何我們需要在20年內將人類送上火星。另一為太空人特裡·弗茨(Terry Virts)則提出了將人類送到火星的「三步走」計劃。

奧爾德林：2040年人類可登上火星

圖1：著名太空人巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）在倫敦科學博物館發表演講

奧爾德林表示，從科學和技術的角度來看，我們正處於推動勘探界限擴展的最佳時刻。他說，由於最近取得的技術進步，在人類歷史上首次航行到其他世界真的是我們力所能及的。他說：「現在是時候開始認真地思考在火星上生活的狀態了！我們從來沒有如此地接近了解和探索另一個星球。」當被問到如何接近實現這一壯舉時，奧爾德林迅速給出他的預測時間表，認為2040年首批人類將登陸火星。

奧爾德林繼續談及為什麼冒險去其他世界如此重要，值得注意的是，從許多方面來看，我們的星球是古老而熟悉的，而太陽系中的其他天體都還屬於「處女地」。他說：「太空旅行和探索代表著最後的邊疆，我們現在正調查和審視有關這顆星球的每寸土地，但依然有很多東西我們還不知道。」然而，奧爾德林指出，這一探索最值得注意的地方不僅僅是為了獲得知識或徵服新世界。前往火星的旅程將幫助人們重新點燃對科學和創新的激情，造就了對理解和探索充滿渴望的年輕一代。

圖2：阿波羅11號登月艙的內部視圖，顯示登月艙飛行員埃德溫·奧爾德林（Edwin E. Aldrin）正執行月球登陸任務

當奧爾德林在1969年登上月球時，無數的年輕人被這個故事迷住了，繼續追求STEM（科學、極速、數學以及物理）領域的事業，希望能取得類似的成就。事實上，奧爾德林非常清楚這種行為對青少年科學態度的影響，他強調稱：「如果我們開始投資於未來一代，最終我們肯定能登上火星。」最終，正如前面提到的，他稱這種投資是長期成功的關鍵。他說：「1903年，人類學會了駕駛飛機。僅僅66年後，我們就實現了月球行走。為了幫助下一代人取得類似的巨大成就，我們必須教育他們，激發他們，鼓勵他們對科學、技術、工程、藝術以及數學等學科的熱情。」

奧爾德林指出，他始終致力於幫助培養年輕人的這種激情。他說：「這就是Space Share Foundation的使命，也是我全心全意支持的項目。」奧爾德林的Space Share Foundation是個非營利組織，致力於通過向全國各地的教育工作者免費提供教育工具，來激發孩子們對科學技術的熱情。這項工作的目的是確保所有的年輕人都能得到他們所需要的資源，以充分發揮他們的潛力。畢竟，誰也不知道下個卡爾·薩根（Carl Sagan）會是誰。

正如美國前總統巴拉克·歐巴馬（Barack Obama）在Frontiers Conference的演講中所指出的那樣：「美國充滿了託馬斯·愛迪生（Thomas Edison）和萊特兄弟（Wright Brothers）的傳說，但我們也希望你們能成長為葛麗絲·穆雷·霍普（Grace Murray Hopper，最早的計算機女程式設計師之一），或者是喬治·華盛頓·卡弗（George Washington Carver，美國教育家）、凱薩琳·詹森（Katherine Johnson，美國物理學家、數學家以及航空航天科學家）等。」

奧爾德林表示，未來20年將人類送上火星的目標極有可能實現，它只需要我們確保年輕人能給予最好的機會。他說：「有時候，我真的不敢相信自己這個來自新澤西州的幸運小子能在月球上行走，通過努力工作，伸手便能觸及到星星。」

弗茨：登陸火星應遵循三步走計劃

10年前，美國宇航局提出Constellation計劃，它的目標是開發新的太空飛船和相關系統，以便將人類送到國際空間站、月球，最終到達更遠的火星和其他地方。但在2010年初，由於預算不足，Constellation計劃被取消。從那時起，美國就缺乏載人航天的連貫戰略。最後，美國太空人特裡·弗茨(Terry Virts)提出了將人類送到火星的計劃。

圖3：美國太空人特裡·弗茨(Terry Virts)正坐在駕駛艙中

這個計劃設定了具體目標，並將激勵未來科學家和工程師，將各國團結起來，解決我們在地球上面臨的許多技術和政治挑戰。有了這些適度的目標，讓我們回顧下過去的太空努力。美國宇航局在20世紀60年代後期施行的月球計劃實際上分為三個項目，分別是水星、雙子座以及最著名的阿波羅計劃。

最初階段，水星項目證明了人類可以在太空中飛行。雙子座是這三個項目中最不為人所知的，但它更為關鍵。它創造並測試了月球著陸所需的技術，包括長時間執行任務、太空行走、計算機和軟體開發以及太空飛行器交匯和對接的協議等。最終，阿波羅項目實現了甘迺迪總統著名的宣言，即我們應該「把人送上月球，並讓他安全地返回地球」。

但是，如果沒有水星或雙子座計劃，尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）以及他們的追隨者就永遠也不會到達月球。我給之所以要介紹這段歷史，是因為我相信未來的太空戰略依然應遵循水星/雙子座/阿波羅的三步走平行模式。

第一，我們需要一個願景。在20世紀60年代，這個願景是將人類送上月球，現在則是將人類於2030年左右送上火星，並讓他們安全返回。毫無疑問，到達火星表面絕對是更耗時的任務。這個願景更為明確，它不僅僅是「在火星上插上旗幟」，長期目標應該是了解火星環境、地質以及生物歷史，同時也要為這個紅色星球上的人類搭建棲息地。

第二，國際空間站就相當於水星項目，證明人類能夠在太空中長期生活和工作。但下個階段的太空計劃（比如雙子座項目）必須致力於開發和測試最終前往火星所需的關鍵技術。這些技術應該在國際空間站以及月球上測試。其中，最重要的關鍵技術就是先進的空間推進技術。

利用現有的火箭技術，往返火星需要三年時間。而且執行這項任務的太空人需要大量補給支持，整個旅程都會暴露在危險的輻射下。更重要的是，確保持續為期3年的任務的關鍵設備的可靠性將是非常昂貴的。空間電推進引擎可在1年時間內將人類送上火星並返回，這會大幅降低輻射的危險，並規避3年漫長任務執行期出現的其他相關問題。

圖4：阿波羅11號登月艙成功降落在月球表面上

與此同時，為期1年的任務花費也會少得多，因為將每公斤物品送上火星需要花費數十萬美元。電動引擎在小型衛星上已經使用了幾十年，但從未被放大到足夠將人類送入太空的規模。要想為這樣龐大的引擎提供動力，可能需要50兆瓦的核反應堆。與將核反應堆送入太空面臨的技術挑戰相比，政治挑戰可能更加複雜。

在去紅色星球之前，我們還需要開發其他的「雙子座」技術。這些包括可靠的生命支持系統，如去除CO2技術、水和氧循環、能夠高速發射和回收人員的設備、棲息地、能夠著陸並在火星表面自動組裝的火星車、支持太空人在火星上生活和工作的太空服、火星導航和通訊衛星網絡以及保護人員免受輻射的創新方法等。最後，在火星表面修建的核電站，需要為提供足夠人類生存所需的電力。

這些都是非常昂貴的工作，只有國際合作才有可能實現。但是，還有其他更重要的原因使之成為多國任務。國際空間站上有來自許多國家的太空人，已經證明了的合作的重要性。即使地球上的國家關係陷入緊張狀態，來自相關國家的太空人組成的國際團隊也能密切合作。如果沒有合作夥伴的穩定影響，美國是否有足夠的政治意願來堅持長期的火星計劃，不禁令人產生懷疑。最後，這個項目必須獲得美國兩大主要政黨支持，總統應該與眾議院和參議院的少數黨領導人共同促進這一願景。否則，到本屆政府任期結束，美國太空計劃註定要再次取消。

第三，如果我們做這些事情——制定促進太空探索的一致願景，建立國際合作，推行雙子座式的技術發展計劃，我們將在不久的將來再次實現「阿波羅計劃」，只是這次的目標變成了火星。

火星4大謎團有待破解

儘管人類對火星依然所知有限，但卻從未停止過探索的腳部，美國宇航局發射的「好奇號」火星探測器就是其中的佼佼者。自從2012年登陸火星表面以來，好奇號已經在那裡度過5個年頭。這個小機器人在火星表面進行各種各樣的科學實驗，已經幫助我們了解了許多火星知識。好奇號的使命很簡單，就是尋找火星上可能曾經適合居住的跡象，當然是適合微生物的環境，而不是馬特·達蒙（Matt Damon）！

圖5：好奇號火星探測器的任務並非僅限於自拍，它的探索任務將延長至明年10月份

為了實現這個目標，美國宇航局把好奇號送到蓋爾隕石坑。這是個巨大的撞擊盆地，中心有一座山。好奇號已經穿過隕石坑，正在翻過巖石。一路上，它收集了許多有關生命所需的水、礦物質、有機化學物質以及其他材料的古代證據。好奇號的表現如此出色，以至美國宇航局決定將其任務延長到2018年10月份。畢竟，仍然有許多有趣的化學和地質現象有待調查。

當好奇號繼續攀爬隕石坑中部的夏普山時，它將探索三個新的巖層，包括以鐵礦物（赤鐵礦）、粘土以及含有大量硫酸鹽為主的巖層。明年好奇號還會繼續挖掘嗎？這裡共有4個謎團以待它幫助解開（或者至少找到更多線索）。

1.火星上還有遠古生命嗎？

任何生命跡象都有可能促使發現微生物。好奇號可以利用名為Mars Hand Lens Imager的工具拍攝微小物體的圖像。可是為了成功找到微生物化石，那些古老的細胞體積必須很大才行。好奇號要做的不僅是掃描用於構建這類細胞的化學物質，還可以使用它的可攜式化學實驗室SAM（在火星上進行樣本分析）。到目前為止，SAM已經發現少量有機分子，也就是裡面含有碳分子。

這種環狀的化學氯苯出現在古代的泥巖中，它的發現令科學家們激動萬分，畢竟這種分子鏈會製造細胞壁之類的東西。美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的行星科學家阿什溫·瓦薩瓦德（Ashwin Vasavada）說：「到目前為止，我們只發現了簡單的有機分子。」在地球上，化學實驗室的偵探工作可能會發現，是否有較大的有機化學物質可能會在火星表面降解為較小的物質，如氯苯。

好奇號可能會發現由碳鏈構成的更大分子。好奇號攜帶兩套燒杯以進行化學實驗。乾燥燒杯中含有能提取難以發現的有機化合物的化學物質。而到目前為止，「溼」燒杯還沒有被使用過。2016年12月份好奇號執行鑽探任務尋找有機物時出現問題，導致其臨時進入待機狀態。然而，美國宇航局表示可能的解決方案已經有效。

2.火星如何從潮溼溫暖變得寒冷乾燥？

有研究指出，火星上面曾經有過水。事實上，蓋爾隕石坑曾經有個被河流填滿的湖。此外，好奇號首次鑽孔取樣檢測到的化學物質，只能在非酸性環境中形成，這種環境對地球類生命來說十分舒適，其中的化學物質包括硫酸鈣。巖石中也含有粘土，這些也都是在水裡形成的，而且只有在微鹹的水中才能形成。

美國宇航局的科學家得出結論，火星土壤似乎是地球以外發現的「最好客」的環境。但事情並未始終保持安逸狀態，大約35億年前，事情發生了變化。現在的理論是，當火星失去保護磁場時，來自太陽的粒子開始剝離這顆紅色星球的大氣層。直到今天，火星的大氣層繼續受到侵蝕。瓦薩瓦德解釋稱：「這引發了氣候變化，從表面可支持水存在的狀態變為如今乾燥荒蕪的星球。」在火星大氣中，好奇號發現重元素佔了相當大的比例。這支持了一種觀點，即輕元素曾經存在過，但已經成為歷史。

還有一個機會，隨著好奇號繼續向上爬，它可以捕捉到這個地區從溼到幹過渡的證據。到目前為止，好奇號已經調查了潮溼時代末期的巖石。它們顯示，這個星球的水面湖泊曾經存在了數千年！好奇號現在正在接近的巖石位置顯得比較年輕。噴氣推進實驗室的研究科學家阿比蓋爾·弗雷伊曼（Abigail Fraeman）說：「希望通過觀察這些巖石的全球性變化，我們能從中得到一些啟示。」

圖6：過去五年間，好奇號始終在探索這個古老的湖床，現在它進入了未知的區域，那裡存在三個新的巖層或單元，分別是赤鐵礦、粘土以及硫酸鹽。來自這些地區的數據可以告訴科學家們，這些巖層到底是由什麼構成的，以及它們如何適應夏普山以及火星歷史的。

3.今天火星真的有流動的水嗎？

有些礦物鹽會吸收水分，然後再分解成液體。好奇號小組在蓋爾隕石坑中尋找這樣的水爆跡象，它可能是上述過程產生的。結果空空如也。2年前，火星偵察軌道器抓拍到了移動的鹽條紋圖像。這些表明火星上曾經有過流動的水。這些照片就是最好的證據，可證明火星液態水不會永遠消失。夏普山也有這樣的暗色條紋，好奇號不時地拍下它們的照片。瓦薩瓦德說：「這是我們持續關注的事情。」如果條紋改變的方式預示著它們正在移動，好奇號可能會繼續尋找水。只是到目前為止，這些條紋還沒有改變。

4.火星大氣中甲烷的來源是什麼？

在地球上，微生物是沼氣的甲烷氣體的主要生產者。火星空氣中也含有甲烷成分，但它從何而來還不清楚。火星大氣中的甲烷含量在一年時間裡的變化不大，溫度或壓力的變化可能是這些微妙波動背後的主因。好奇號將繼續監測甲烷水平，還將收集更多的數據，希望能有助於查明其波動的背後原因。

2014年底，科學家們發現火星大氣中的甲烷含量上升了10倍。他們現在懷疑，火星大氣中的甲烷智慧保留大約300年。所以，這是相當新的補充。瓦薩瓦德說：「這並不一定意味著它正在積極創造甲烷氣體，也可能是老甲烷被從地下釋放出來。比如礦物質與地下水相互作用，有時就會產生甲烷氣體。

火星上的甲烷也可能是行星表面破裂時，行星塵埃顆粒的產物。另一個可能的解釋就是上面存在生命！瓦薩瓦德表示：「我們對於火星上到底發生了什麼一無所知，但我們不應該排除上面存在生命的可能。」他強調稱，火星生命不太可能存在，但也不能完全排除在外。

本文來源：網易科學人 責任編輯：郭浩_NT5629