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    去火星肯定行?登月第二人:飛機到登月才用了66年

    時間:2017年08月23日 信息來源:網易科學人 點擊: 字體:

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    美國宇航員特里·弗茨(Terry Virts)正坐在駕駛艙中


    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。許多報道稱,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,并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(并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。

    最近接受采訪時,著名宇航員、工程師、登上月球的第二名人類巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)解釋了為什么火星探索和發現如此重要,并談及為何我們需要在20年內將人類送上火星。另一為宇航員特里·弗茨(Terry Virts)則提出了將人類送到火星的“三步走”計劃。

    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,由于預算不足,Constellation計劃被取消。從那時起,美國就缺乏載人航天的連貫戰略。最后,美國宇航員特里·弗茨(Terry Virts)提出了將人類送到火星的計劃。

    這個計劃設定了具體目標,并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年代后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。它創造并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、計算機和軟件開發以及航天器交匯和對接的協議等。最終,阿波羅項目實現了肯尼迪總統著名的宣言,即我們應該“把人送上月球,并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,我們需要一個愿景。在20世紀60年代,這個愿景是將人類送上月球,現在則是將人類于2030年左右送上火星,并讓他們安全返回。毫無疑問,到達火星表面絕對是更耗時的任務。這個愿景更為明確,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,國際空間站就相當于水星項目,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)必須致力于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宇航員需要大量補給支持,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并返回,這會大幅降低輻射的危險,并規避3年漫長任務執行期出現的其他相關問題。

    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,政治挑戰可能更加復雜。

    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、能夠著陸并在火星表面自動組裝的火星車、支持宇航員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。最后,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宇航員,已經證明了的合作的重要性。即使地球上的國家關系陷入緊張狀態,來自相關國家的宇航員組成的國際團隊也能密切合作。如果沒有合作伙伴的穩定影響,美國是否有足夠的政治意愿來堅持長期的火星計劃,不禁令人產生懷疑。最后,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愿景。否則,到本屆政府任期結束,美國太空計劃注定要再次取消。

    第三,如果我們做這些事情——制定促進太空探索的一致愿景,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。

    盡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,好奇號已經在那里度過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)!

    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?這里共有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于構建這類細胞的化學物質,還可以使用它的便攜式化學實驗室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,也就是里面含有碳分子。

    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,畢竟這種分子鏈會制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。干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,“濕”燒杯還沒有被使用過。2016年12月份好奇號執行鉆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.火星如何從潮濕溫暖變得寒冷干燥?

    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,好奇號首次鉆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,這些也都是在水里形成的,而且只有在微咸的水中才能形成。

    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。但事情并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干燥荒蕪的星球。”在火星大氣中,好奇號發現重元素占了相當大的比例。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濕到干過渡的證據。到目前為止,好奇號已經調查了潮濕時代末期的巖石。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。”

    3.今天火星真的有流動的水嗎?

    有些礦物鹽會吸收水分,然后再分解成液體。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么?

    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里的變化不大,溫度或壓力的變化可能是這些微妙波動背后的主因。好奇號將繼續監測甲烷水平,還將收集更多的數據,希望能有助于查明其波動的背后原因。

    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:“這并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:“我們對于火星上到底發生了什么一無所知,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。





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