第六章
如何在火星生存？

人类在地球上生存要满足4个最基本的需求——食物、水、住所和衣服。而人类要在火星上生存下来，需要解决5个方面的问题——食物、水、住所、衣服和氧气。这5种关键资源的成功获得将为人类在未来成为星际生存的物种提供保证。

关于水的难题

在缺氧4分钟以后，人体大脑就会受到损伤；而人因缺氧窒息而死亡的时间临界点普遍被认为是15分钟。现在我们都已经知道，火星上没有氧气存在，因此我们必须要自己制造氧气。如果能够在火星上找到水源的话，我们可以利用水来生产氧气。只要在火星上找到水源，就有很多能生产出氧气的方式，包括简单的电解——将电流通过水，从而获得氧气。水太重，并不适合从地球运送，因此，找到水源实际上是人类要实现在火星上生存的最重要问题。如果火星并不如我们所想的有水存在，那么我们将无法实现在火星生活的梦想。

多年以前，当很多火星轨道卫星探测器和登陆器都还处于设计图纸阶段的时候，美国宇航局就做出了一个重大决定——专注于寻找水源。当时设定这个目标的原因并非是为了要向火星移民，而是为了寻找外星生物。因为我们都知道，没有水就没有生命。有意思的是，当初为了探寻火星是否存在生命而寻找水源的行动，如今却有了完全不一样的意味：火星上可以存在生命——人类的生命。

多个先后探测过火星的航天器，包括“好奇号”火星探测器、“火星勘测”轨道飞行器、“火星漫步者号”探测器、“火星快车号”探测器以及早在20世纪70年代登陆的“海盗号”探测器所积累的关于火星的资料已经让人类建立了一个认知——事实上，火星有水存在。但直到“凤凰号”火星探测器在火星北极附近发现了冰帽，才让大家毫不怀疑地确信，火星上确实存在固态水，并且已经在被称为“风化层”的火星土壤中被找到。

尽管火星的地表面积只相当于地球表面积的28%，陆地面积却与地球差不多，因为地球表面70%以上的面积都被海洋、湖泊和河流所覆盖。火星上没有任何区域有水覆盖，这是火星与地球的重大差别。整个火星地表的水资源储量超过400万立方千米，但几乎全部都是以固态形式存在。因此火星上虽然可能偶尔会因为特殊的气候环境变化出现液态水，但在火星大气密度变得足够大、火星地表温度变得足够温暖之前，火星上的水几乎不可能流动起来。

大部分固态水都位于火星的南极和北极，其中很多都被埋在固态二氧化碳层之下。如果这些固态水都融化，火星将整个儿被淹没在几百米深的水中。那将是非常大量的水，但根据火星地质研究，这些水还是少于曾经在火星上流动和存在过的水。火星上有成千上万个河谷，以及数不清的巨大湖床，火星曾经有将近三分之一的面积都被海洋覆盖。火星赤道附近的埃律西姆平原（Elysium Planitia），可能存在一片与地球北海面积相当的碎片状固态水。

火星上固态水的储量看起来十分丰富，但每一立方米风化层中，固态水的含量千差万别，从1%到60%不等。在火星地表之下散布着大量的固体冰湖泊，并且大多数分布在靠近火星赤道的一个带状区域内。对于早期的火星移民们来说，如果能够找到一个几千克重的固体冰块，将会是十分幸运的收获。

一部分曾经在火星上自由流动过的水蒸发了，然后和火星大气层一起消失在了太空之中。目前位于火星轨道上的“火星大气与挥发演化”（MAVEN）探测器，正在为我们对此进行研究。另外，很多火星上的水沉入了地下，但大部分水都被保存在接近地表的冰层里。如果火星移民们以水源数量作为他们“财富”的象征，他们可能是非常富有的。那假如火星真如天文望远镜照片和航天器掠影所显示的一样荒芜和干旱呢？我们可能就会转而向另一个陌生得多的星球进行移民计划—— 金星。

到目前为止，要在火星找到水源已经被证明不会太困难，但要将固态水变成液态对于早期定居者们来说，将会是一个巨大的挑战。关于水的问题将有很大一部分在于，一开始获得水需要花费多少精力。固态水资源可能像千年寒冰一样坚硬，获取过程中必须使用电钻。即使是这样，要将冰块液化还需要开采并使用很多高耗能的机器。所以，如果第一批移民能够找到一小块纯净的冰湖将是极大的幸运。

最理想的情况是可以直接找到液态水。在火星地下找到液态水也是有可能的。关于火星地表之下的液态水储量有很多推测，但还没有人知道真实的情况是怎样的。第一批宇航员们将需要钻探到中等深度才有希望找到液态水源。从火星地表或者水井里开采水源并不属于火箭科学技术的范围，但会用到一些与之相关的特殊工具，包括烤炉和蒸馏装置（因为如果不做处理，钻探到的水源将会在冒出地面时立刻被冻结，形成冰块“火山”）。

更可能的场景是宇航员们用锤子从火星地表敲取大块大块含有固态水的风化层。在后期的补给任务中会从地球带来推土机和货运工具，这可以大大提升每个火星移民的工作效率。这些含有固态水的风化层会被放进烤炉加热，直到冰升华为水蒸气。在这个过程中，将会有大量的废弃物需要处理，并且会用到很多能源——一部分能源可以通过太阳能电池板取得，但大多数能源可能还是必须要通过一座小型的核反应堆来提供。

在火星移民的早期，生存所需要的物资很少有现成的，也很难获得来自地球的供给。就像埃隆·马斯克的特斯拉汽车一样，在火星上可能会用到的每一个工具和设备都必须经过周详的考虑。不能出现正在钻探水源的移民们在中途发现他们有什么问题没有被提前考虑到的情况——比如某个特殊的水源矿需要某种特殊的钻头才能钻取。生存是最起码的要求，因此，任何可能出现的情况都必须被提前考虑到。

但如果宇航员们从风化层寻找水源、钻取地下水和从火星地表切割冰块的尝试都不幸失败了，该怎么办？我们还有一个不错的备选方案。根据美国宇航局“海盗号”飞船（于1976年首次安全登陆火星）的探测，尽管火星大气层十分稀薄，但湿度较高，用空气湿度的概念来表示的话，火星的空气湿度经常能达到100%。华盛顿大学在1998年所发表的一篇学术文章提出了一种叫作“水汽吸附反应器”（Water Vapor Adsorption Reactor, WAVAR）的装置，可以从火星大气中提炼出足够多的水分子，以满足人类的生存需要。这篇文章在不同的地方提及“火星大气层是特征最明显并且广泛分布在整个火星的水源……尽管与地球相比，火星气候是十分干燥的……但平均来看，火星大气中在一天的某些时刻会包含足够多的水分，比如，夜间空气湿度可以达到100%……在各个纬度的大部分季节都是如此”。

WAVAR利用的是一种叫作沸石的吸水性矿物质，是一种在地球上自然形成的并且很容易商业化的矿物质——主要被用于工业除湿器，用来吸收空气中的水汽。这篇关于WAVAR的文章在随后继续阐述了它简单的工作原理：“火星空气经过除尘网被风扇吸进系统之中。经过过滤的空气随后会经过吸附床，在那里水蒸气会被从气流中分离出来。一旦吸附床达到饱和状态，水分就会被解吸、凝结并通过管道进入储存箱。整个装置只有7个组件：一个过滤器，一个吸附床，一个风扇，一个解吸单元，一个使吸附床旋转的机械，一个冷凝器以及一个活性控制系统。”

为了保证登陆计划的按步实施以及运载规模最小化，WAVAR会由货物飞船提前两年运抵火星地表，到达之后就开始提取和积攒水源，为宇航员的到达做准备。

我要重申这个目前看起来很显然的事实：只要火星上如我们预想般存在水源，人类生命的存活和延续就是可能的。

关于氧气的难题

接下来就是氧气的问题。在航天器中如果氧气耗尽，人就只能呼吸自己所呼出的二氧化碳，接下来就会失去意识，这时离死亡也就不远了。人类在二氧化碳浓度大于5%的空气中只能度过很短的时间，部分原因是人类已经进化出一种自我防御机制——在二氧化碳浓度过高的环境中晕厥。

由此看来，火星并不是一个利于人类生存的环境，因为火星上几乎不存在氧气。根据“好奇号”探测器在2012年收集到的数据，火星上的“空气”是由2%的氮气、2%的氩气、95%的二氧化碳与微量的一氧化碳和氧气所组成。各组成成分会随着季节的不同而有所变化，因为在冬季有些气体会被冻在火星的两极，到了春天再被释放。尽管火星空气中的游离氧占比还不到1%，但火星上实际蕴藏着足够多的氧气，秘密就在于二氧化碳（CO2）的组成。从分子质量来看，二氧化碳是由28%的碳原子和72%的氧原子所组成。如果火星大气的95%都是二氧化碳，那么从质量上来看，火星空气中就有70%的成分是氧。尽管火星大气的浓度仅为地球上空气浓度的1%，但其总量依然是可观的。

由先驱者们开采出来的水含有更多的氧——水的质量中有大约89%是氧。并且地球人已经很好地掌握了将氧从水分子中释放出来的电解技术。电解的过程就是将两个电极置于装了水的容器当中，然后通电，使电流经过容器中的水，氧气就会从水池的正极一边释放出来，负极所在的一边则可以收集到氢气。氢气可以作为一种极好的燃料和能源。实际上，几乎全美国高中化学课程的实验操作课中都会进行水的电解实验。并且电解技术还能带来额外奖励：一旦氧气和氢气被分离出来，就形成了极好的火箭推进剂。电解技术的唯一问题，也是会让火星移民们倍感沮丧的问题：电解需要使用大量的电力。

幸运的是，美国宇航局已经解决了氧气的问题。2020年，他们发射“好奇号”探测器继任者的时候，会携带一种燃料电池，这种燃料电池将能够把火星空气中的二氧化碳转换成氧气和一氧化碳。

这种装置被称为MOXIE，是“火星氧气原位资源利用实验”（Mars Oxygen In-Situ Resources Utilization Experiment）装置的缩写。MOXIE的工作原理与电解水类似，只不过它是在空气中使用高温陶瓷。“电压通过陶瓷，将陶瓷表面已经被催化剂剥离的氧原子分离出来。”迈克·赫奇特博士如是说。迈克·赫奇特（Michael Hecht）博士是MOXIE装置研发项目的主要研究人员，也是麻省理工学院海斯塔克天文台的助理研究主任。美国宇航局研究MOXIE的目的除了要证明我们可以在火星上制造呼吸的氧气，更为了制造火箭燃料的氧化剂。液态氧远比氢气和甲烷等火箭推进剂都要重，因此，美国宇航局一直想实现在火星上制造供火箭返航地球时所需的氧气。这将比从地球一路携带返航所需的燃料要高效得多。

下一代火星漫游车上的MOXIE模块，在标准温度和压力下，每小时只能生产55升的氧气。这个产量看起来并不高，但人类的肺每分钟只需要消耗5～6毫升氧气。“至少，MOXIE可以产生足够维持人类呼吸的氧气，只要人类不进行剧烈活动。”赫奇特说。如果MOXIE的工作效果能达到预期，美国宇航局将会把规模扩大到上百台，这可能会需要一个核反应堆来提供电力。

“MOXIE的规模可能仅为未来会真正支撑火星移民任务工厂的1%，”赫奇特说，“计划是先在火星上建立一个包含核反应堆和氧气工厂机器人的工作站，然后在26个月之后，在确认氧气储存罐已经充满并且反应堆还在继续工作的情况下，再向火星发射载人飞船。”

在地球上，人类呼吸的空气是由约78%的氮气和21%的氧气所组成的。尽管人类也可以呼吸类似氧气与氦气所组成的其他混合气体，但不能呼吸由20%的氧气和80%的二氧化碳所组成的火星空气。与氧气混合的气体必须是不会发生化学反应的气体，或者惰性气体，比如氩气或者氦气。氮气虽然通常不被认为是惰性气体，但两个氮原子组成的分子结构十分稳固，几乎不会与其他元素发生化学反应。

关于食物的难题

食物也是一个关系到人类能否在火星上生存的关键问题。农业科技在世界的很多地方都已经高度发达，包括美国。因此，很多博士研究生已经研究多年致力于寻找人类在火星上进行粮食种植的方法。（不管他们是否愿意，火星移民都将是素食主义者，因为饲养动物的效率实在太低了。）如果首批先驱者降落在火星赤道附近，白天的气温会足够温暖，可以建立充气温室。这些温室将会被完好地隔离起来，并且使用被动式太阳能技术，比如通过将热量吸收石一直暴露在太阳光下吸收热量，并用电力加热的方式平衡夜间温度陡然降低带来的巨大温差。同时还会需要比火星现有大气层密度更大的空气。在火星赤道附近，一天一般由12小时白昼和12小时黑夜组成。火星温室中所需的测算压强值各不相同，但植物学家们预测在大气压力只有地球十分之一的环境中是可以培育植物的。根据国际空间站里进行的实验，植物在零重力的环境中可以生长，但是谁也不能确定火星引力——大约是地心引力的38%——会对植物生长产生什么样的影响。

我们对火星表面的风化层已经有了足够的了解，可以确信很多风化层都可以成为良好的土壤（主要取决于它们是挖自什么地方）。通过火星登陆器的观察以及对降落到地球的火星陨石的研究，我们发现火星表面存在一种叫作蒙脱石的黏土，这种黏土在地球上很常见，经常被用于制作猫砂。这种黏土吸水性强，对植物生长有利。但火星土壤可能存在酸性或碱性过高的问题，需要中和处理，还需要补充氮元素等植物营养成分。如果可以获得充足的水并使它们保持液态的话，无土栽培技术——不使用土壤，在包含充足养分的营养液中栽培植物——将为人类在火星上成功栽培农作物提供最有力的保障。

安吉洛·维米伦是一名生物学家和艺术家，曾经在模拟的火星环境中生活了几个月，他曾说：“我个人不太确信温室栽培植物在火星上可以行得通，因为火星上光照太少而辐射太严重。这幅图画出现在火星明信片上可能看起来很美好，但并不现实。”作为替代方案，安吉洛比较看好无土栽培的“生长室”，将生长室埋在土丘下面或者修建在自然形成的熔岩管道里面，以屏蔽过强的太阳辐射。维米伦说：“在火星上种植粮食，是一门关于控制的艺术。你需要准确地控制环境状况。你可以通过发光二级笔灯泡控制光频、光谱和光照强度，利用无土栽培精确控制水和养分，这样我们就可以更好地确保农作物获得良好生长。”

尽管早期的火星居民们需要调整温室或者生长室中空气里过高的二氧化碳比例，但保留相对高一点的浓度可能会有利于提高农作物的生长速度和产量。维米伦说：“可以通过逐渐调整二氧化碳的浓度，找到一个最佳比例。”火星上的日照总量大约是地球上日照量的60%。在火星上的中午时分，阳光为每平米的农作物提供的能量大约是600瓦。而在地球上，这个数据大约是1 000瓦／米2。火星上正午的阳光基本上相当于地球上的下午——当太阳光相对于地平线呈35°斜着照射时的强度。你可以将火星上的太阳想象成类似于米兰、芝加哥、北京或札幌等城市在冬天照射到的阳光。

火星上的粮食既需要富有营养，同时也必须具备不占空间的特征。尽管豆类富含蛋白质和纤维素，可能会是火星上日常食物的一种，但对于火星上究竟应该种植哪些农作物的研究还没有完成。蘑菇可以在由人类无法食用的食物残渣做成的肥料上生长，有可能会是火星上食物的一种。如果让维米伦来设计这份食谱，上面可能会包含昆虫：“昆虫应该成为宇航员食物的一部分。蝗虫和蟋蟀口感松脆而且富含蛋白质。干的大麦虫我也喜欢，在我的一个研究计划中，我们将炸过的大麦虫与沙拉进行搭配。”

生菜和其他的叶子菜将是十分奢侈却也是不可或缺的种类。“生菜并不是一种理想的选择，因为它的营养价值不高且体积比较大。但食用生菜会对人的心情产生良好的影响，因为生菜新鲜、爽口。”维米伦说。

生物学家想不明白为什么人们依然认为宇航员应该吃罐头食品。“宇航员们想要可口的食物，他们也希望能一起用餐。国际空间站里面的宇航员曾经要求过将一张被拆了的桌子运回地球，以便大家能够再聚在一起用餐。他们需要一起来用餐，追忆过去生活的地方——实现一种与文化和身份认知的联结。而且不同国家的宇航员想要的食物也不一样，比如中国和俄罗斯宇航员与美国宇航员喜欢的食物就可能有很大不同。”

近期由荷兰经济事务部（Dutch Ministry of Economic Affairs）支持完成了一项为期50天的模拟实验。这项实验在荷兰的一个温室中进行，尽管没有控制重力和光照差异，但实验结果依然为我们在火星上种植粮食的可能性提供了很多积极的证据。美国宇航局为荷兰的实验者们提供了来自夏威夷和亚利桑那州的土壤，模拟火星风化层。实验者将4 200种植物从种子阶段开始培养，而在模拟的火星土壤中，每一种作物都发芽了。在所有试验品种中，水芹、土豆、黑麦和胡萝卜是比较适应模拟火星土壤的种类，这些品种的植物如预期的一样，保水性比较好。其他相关的实验还在继续进行，包括由加拿大研究者在德文岛上进行的实验，以及火星学会在美国犹他州进行的温室培养实验。

不管我们在火星种植上可能取得多大的成功，在早期都只会有一小部分食物来自火星的种植。大部分食物将还是来自地球的供给。维米伦表示：“我认为我们不可能实现火星上的食物全部依靠火星本地种植。实际上，如果本地种植的食物能够占到总体的10%就已经是一个好的开端了。”一部分原因是火星种植对生长室和相关设备的重量和能量需求都很高。在太空旅行和地外星球生存的事业中，重量和能量需求会是主宰因素。

住所和穿衣的难题

正如植物在火星上需要特别保护措施一样，人类也需要特殊的衣服和住所才能在火星上生存下来。

金属的火箭飞船和充气建筑并非人类对抗火星严酷环境的长久之计。有两种辐射需要面对——太阳辐射和宇宙辐射。太阳辐射就是人们在海边所经历的那种晒伤——来自太阳并且穿透地球大气层保护的高能粒子。宇宙辐射来自于太阳系之外的未知来源，这些辐射更加高能，因此，对于人类来说也更具危险性。在地球上，宇宙辐射已经被厚厚的大气层隔绝了大部分。皮肤不是宇宙辐射的对手，它可以轻易穿透很厚的金属，并且可以引起电子设备的紊乱。宇宙辐射源源不断，很难被隔离，因为这些辐射的能级很高。生活在落基山高海拔地区的人以及经常飞越洋航线的飞行员会吸收很多的宇宙辐射。毫无疑问，受到辐射的程度与死于癌症的风险呈正相关性，尽管风险概率可能只是有比较小幅的提高。但随着时间的延长，几乎任何辐射都会对人体产生不利影响。

现在，美国宇航局已经开始考虑在类似于火星之旅这样长期的宇宙飞行中提高宇航员承受的辐射值。火星上的稀薄大气层应该足以抵抗太阳辐射。但是太阳耀斑的直接冲击会对人体健康产生长期损伤，尽管这比较少出现，但始终有发生的可能。人类在火星的住所上方需要有风化层或者岩石来隔绝辐射，并且越厚越好。而要躲避直接袭向火星的太阳风暴，则需要躲在深深的地下岩洞或者类似这样的住所里。

由罗伯特·组布林所著并经过他数十年不断完善的《火星指南》提案中，建议使用一种类似于古罗马时期建筑形式的穹顶式建筑结构，这种建筑将使用由火星风化层经过一定工艺制作的砖来修造。一系列穹顶式建筑整齐地排列在火星之上，为人类提供躲避寒冷和辐射的绝佳庇护之所，而这些建筑之上如果再覆盖3米左右的风化层，效果会更好。

定居火星的拥护者们也认为宇航员应该具备利用火星上常见的材料来制造塑料、铁、钢以及铜等建筑材料的能力。所有相关的计划已经被彻底地研究过了，但这些计划都需要大量的能量以及很多特殊设备。组布林想象的图景中，会使用装有推土机器和刀片设备的小货车来挖掘火星上极为坚硬的冻土。

要找到良好的居住问题解决方案需要用到人类先祖的经验。纵观人类历史，人类曾经非常智慧地适应周遭的环境，使用当地可以获得的材料，形成契合当地特殊生存环境的居住形式。同样的适应过程也会发生在火星上。但早期的定居者们可能必须生活在山洞、裂谷或者是熔岩管道中，以躲避辐射。最终，火星会在人类不断创造仿地球生存环境的努力下，变成一个类似地球的行星，辐射的危害将随着火星大气层密度的增加而逐渐减弱。

在保护火星移民们不被辐射和寒冷气温侵害的过程中，衣物扮演着重要角色。而且衣物是唯一可以解决气压过低这一火星上特有问题的方法。在地球上，人类生活在较高的大气压强环境中。张开双臂，试着想象你身体上方有绵延数千米的空气在挤压你每一寸的皮肤。这些空气在海平面的平均重量为6.7千克。人类的身体为了适应地球上时刻存在的大气压力，体内产生了相应强度的由内向外推的内压。而火星上的大气压力仅为地球大气压力的1%，人类登陆火星后就会出现人体内压远远高于外压的失衡情况，因此，如果没有压力服来平衡人体由内向外的压力，人类就不能在火星上存活。不像水源、氧气、食物和住所等方面的问题，压力差只有通过一直随身穿着压力服才可以解决，除非我们选择生活在经过增压的密闭空间中。

达瓦·纽曼（Dava Newman），麻省理工学院航天学教授，正在研究一种非增压的、更加轻便、灵活的宇航服设计，专门用于“太空活动”。她说：“从物理学角度来说，我们只需要提供大约相当于地球上1/3的大气压力就可以了。”这个数字大约相当于3 515.4千克／米2。她所设计的航天服更接近于可穿戴的衣服，而非笨重的胶囊舱。在纽曼的“第二皮肤生物服”设计中，她使用高分子聚合物和具有形状记忆的合金材料制造一种富有弹性、比现有的增压式制服轻便得多的航天服。

为了保证肢体的灵活性，在衣服的设计中，纽曼没有过多地考虑辐射隔绝的功能。“我不打算将辐射防护层放进衣服里面，因为真正的辐射隔离措施通常既笨重，体积又大。我们需要隔离辐射吗？当然需要。但在衣服里面我们只需要考虑一小部分辐射防护的功能。”因为宇航员们的大部分时间都会在火星车或者庇护良好的住所中度过。纽曼说：“到了我们真正将人类送上火星的那一天，通过中间数十年间火星探测器和轨道探测器不断传回的信息，届时我们应该已经对火星上的辐射环境有了充分了解。”

所有这些问题都可以归结成人类在火星上将面临的一个终极挑战：在如此严酷的环境中我们要如何生存？答案就在于增温技术的创造性研究中，增温技术将提高火星大气的浓度——简单来说，就是将整个火星环境改造得更像地球。这个过程被称为星球改造，可能需要花好几个世纪才能完成。但它可以实现，而且最终一定会被实现。

火星生活设想