移民太空的理想與現(xiàn)實(shí)

向陽

2016年10月17日7時30分，搭載著神舟十一號載人飛船的長征二號F遙十一運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，約575秒后，神舟十一號載人飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道，順利將景海鵬和陳冬兩名航天員送入太空。10月19日凌晨，神舟十一號載人飛船與已經(jīng)在軌運(yùn)行一個月的天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室交會對接，形成組合體。景海鵬和陳冬入駐天宮，開啟中國航天員迄今最長太空駐留。

移民太空的多種理想

神舟十一號在廣袤的太空追尋天宮二號并與之會合、對接又一次讓國人和地球人關(guān)注一個既是人類美好的理想，也是可能的現(xiàn)實(shí)——移民太空的其他星球。而且，早就有人提出這樣的設(shè)想并描繪了美好的藍(lán)圖。

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的CEO伊隆·馬斯克于2016年9月底在墨西哥瓜達(dá)拉哈拉舉行的國際宇航大會（IAC）上公布了該公司的火星移民計(jì)劃，在約10年時間里將人類送往火星，最終建立火星殖民地。

太空探索技術(shù)公司已經(jīng)在2015年12月21日實(shí)現(xiàn)了“獵鷹”9號火箭第一級首次發(fā)射、回收，同時也是人類第一個可實(shí)現(xiàn)一級火箭回收的軌道飛行器。但是，此后的2016年1月17日，該公司發(fā)射的搭載一顆海洋觀測衛(wèi)星的“獵鷹”9號火箭第一級海上回收嘗試卻失敗了。

現(xiàn)在，馬斯克的太空探索技術(shù)公司打算開發(fā)大型火箭和飛船，打造一個星際運(yùn)輸系統(tǒng)，將人類送往火星。星際運(yùn)輸系統(tǒng)由一枚超重型火箭，一艘客運(yùn)飛船和一艘貨運(yùn)飛船組成，每次可以運(yùn)送100名乘客和大量貨物。從地球出發(fā)到火星將需要80～150天的時間，但是，經(jīng)過改進(jìn)，未來這一過程將縮短至30天左右。該計(jì)劃最早于2024年實(shí)施，費(fèi)用約為每人20萬美元。

馬斯克解釋移民火星的原因是，地球上很多物種最終都走向了滅絕，如果人類不想重蹈恐龍和渡渡鳥的覆轍，就需要移民到其他星球上。同時，美國國家航空航天局（NASA）也有這樣的移民計(jì)劃，但時間要比太空探索技術(shù)公司的晚10年。而且，美國國家航空航天局將支持太空探索技術(shù)公司最初飛往火星的任務(wù)。

提出移民太空計(jì)劃的不只是太空探索技術(shù)公司，實(shí)際上移民太空已經(jīng)成為一個競爭性項(xiàng)目。2016年10月11日，國際航天研究中心創(chuàng)始人伊格爾·安舒貝利博士也宣稱，將于2017年發(fā)射衛(wèi)星，創(chuàng)造獨(dú)立的太空國家“阿斯伽迪亞”（Asgardia），公眾可以通過阿斯伽迪亞項(xiàng)目網(wǎng)站注冊成為其公民，開放的名額為10萬人。

安舒貝利是一名俄羅斯科學(xué)家，也是維也納國際航天研究中心的創(chuàng)始人，最近當(dāng)選聯(lián)合國教科文組織“太空科學(xué)”委員會主席。安舒貝利稱，他們的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行的前期工作將會是利用最先進(jìn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造一個保護(hù)全人類的屏障，阻擋來自太空的人為或自然的威脅，其中包括太空垃圾、太陽耀斑、行星撞擊。

太空中有超過2萬件可追蹤的人造垃圾，包括老舊的太空飛船和火箭部件。此外，自然物體也給地球上的生命帶來威脅。例如，2013年墜落在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克的隕星導(dǎo)致1100人受傷，4000棟建筑損毀。

建立太空國阿斯伽迪亞的目的是保護(hù)地球免受小行星的毀滅性撞擊，也是創(chuàng)造太空中的和平，防止地球上的沖突蔓延至太空。

移民的風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)實(shí)的情況是，移民太空有風(fēng)險(xiǎn)，報(bào)名需謹(jǐn)慎。馬斯克也承認(rèn)火星首航“死亡風(fēng)險(xiǎn)高”，對于參與太空探索技術(shù)公司的火星之旅的任何人，該公司并不能為他們的生存提供100%的保證。由于傷亡的風(fēng)險(xiǎn)很高，只有做好犧牲準(zhǔn)備的人才有可能成為候選人。

移民太空最大的風(fēng)險(xiǎn)是什么？首先就是輻射風(fēng)險(xiǎn)，這是讓人受傷和死亡的最大威脅。移民火星要經(jīng)受的輻射有兩種，一種是長期存在的低劑量銀河系宇宙線（GCR），另一種是有可能短期出現(xiàn)的太陽高能粒子（SEP），后者與耀斑及日冕物質(zhì)拋射等太陽活動有關(guān)。

銀河系宇宙線是高能量、高穿透性的粒子，這些高能粒子包括少量所謂的重離子，也即沒有電子陪伴的原子核。重離子導(dǎo)致的生物傷害要比其他類型的粒子更嚴(yán)重。但典型的太陽高能粒子能量較低，意味著它們不及銀河系宇宙線對人的傷害。

遺憾的是，如果移民火星，火星上的輻射主要是銀河系宇宙線。研究發(fā)現(xiàn)，火星缺乏磁場（磁場為地球提供了另一個保護(hù)層），而且火星的大氣層只有地球大氣層厚度的1%，但是火星的大氣層還是擁有一個巨大的屏障來阻擋快速移動的危險(xiǎn)宇宙粒子。

美國國家航空航天局發(fā)射的“好奇”號火星車（探測器）飛行了5.63億千米才于2012年8月6日到達(dá)火星，在火星的伊奧利亞平原著陸?；鹦擒嚿系妮椛湓u估探測器（RAD）測量了火星表面的宇宙線輻射劑量，結(jié)果令人鼓舞，宇宙線輻射劑量只有星際空間中的一半，約每年0.28～0.73西弗，這對人體來說是可以接受的。

通俗地講，人體暴露在這樣的輻射劑量下36個月而不采取任何措施，患上嚴(yán)重輻射病的概率只有1%。這似乎為人類登上火星掃除了最主要的障礙。但是，一個重要的問題被忽略了，即人們移民火星的路途上如何避免更為強(qiáng)大的輻射，主要也是宇宙線輻射?！昂闷妗碧柣鹦擒囀?011年11月26日啟程的，到達(dá)火星用了近9個月（253天）的時間。正是在這個火星之旅中，美國西南研究院研發(fā)的輻射評估探測器在太空艙內(nèi)部對銀河系宇宙線和高能粒子輻射環(huán)境進(jìn)行了細(xì)致的測量，一項(xiàng)研究結(jié)果于2013年5月31日發(fā)表在《自然》雜志上。

根據(jù)輻射評估探測器對火星車的太空艙內(nèi)部的探測發(fā)現(xiàn)，就累計(jì)輻射劑量而言，前往火星的途中，人們相當(dāng)于每五六天接受一次全身CT掃描?；鹦擒囋谘埠酵局薪邮艿你y河系宇宙線照射劑量相當(dāng)于每天1.8毫西弗。如果采用現(xiàn)有航天推進(jìn)系統(tǒng)往返火星，在往返途中接受的總輻射劑量大約是0.66西弗。

當(dāng)然，這樣的輻射劑量不會立即致命，但是0.66西弗的輻射已經(jīng)超過了美國國家航空航天局規(guī)定的輻射劑量的上限。長時間暴露在1西弗輻射環(huán)境中可使致命癌癥發(fā)生率增加5%，美國國家航空航天局規(guī)定，近地軌道航天員的致命癌癥概率風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)控制在3%以內(nèi)。

同樣是來自“好奇”號火星車攜帶的輻射評估探測器開展的首次火星地表環(huán)境的輻射水平評估的另一項(xiàng)結(jié)果卻令人沮喪。輻射評估探測器設(shè)備首席科學(xué)家唐納德·哈斯勒等人發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的另一篇文章稱，考慮在數(shù)百萬年的時間尺度上，火星地表環(huán)境中的輻射水平對于任何生活在火星地表乃至淺地表數(shù)米深土壤層之中的微生物而言都將是致命的。

對人類而言，如果火星之旅在一年以上，則可能因?yàn)樘蛰椛涠l(fā)癌癥、中樞神經(jīng)受損、白內(nèi)障、不育癥、長時間失重引發(fā)骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、視力下降和極度孤獨(dú)引發(fā)心理問題等。當(dāng)然，這些問題隨著科學(xué)的發(fā)展可能會得到解決，例如，提高航天推進(jìn)系統(tǒng)的能力以縮短在太空旅行的時間，以及研制更能防止太空輻射的航天器。但是，目前的技術(shù)只能研制抵御來自太陽高能粒子輻射的太空飛行器，卻對銀河系宇宙線難以阻擋，就算飛船的外殼用30厘米厚的鋁板制成，也不會降低多少輻射劑量。

太空中吃什么？

移民太空還必須解決吃飯問題。

中國此次到達(dá)太空的航天員景海鵬和陳冬吃什么呢？當(dāng)然不是太空為他們預(yù)備了如地球上那樣的美味佳肴，而是從地球上帶去的航天食品，保質(zhì)期在一年以上。所以，即便航天員可以享受如同在家中生活一樣一日三餐的待遇，吃飯時間與地面同步，包括主食、副食等六大類產(chǎn)品，醬牛肉、魚香肉絲等傳統(tǒng)菜肴，5天之內(nèi)菜譜不會重樣等，但口感也有可能與地面的并不一致。

不過，最大的問題是，如果不靠從地面上帶食物，能否在太空，如空間站或其他星球，如火星上種植莊稼，生產(chǎn)食物，自給自足。現(xiàn)在，國際空間站已經(jīng)開始嘗試種植蔬菜，并且有了結(jié)果。

1983年美國總統(tǒng)里根首先提出國際空間站（ISS）的設(shè)想，后來共有16個國家參與，于1993年完成設(shè)計(jì)，開始實(shí)施。這16個國家中，既有美國、俄羅斯、加拿大、比利時、丹麥、法國、德國、意大利等國，也有南非、巴基斯坦、馬來西亞等國家，但中國被排斥在外。

2015年8月生活在國際空間站內(nèi)的航天員們首次品嘗了他們在太空種植出來的生菜。這些生菜的種子是此前由“龍”號宇宙貨運(yùn)飛船送入空間站的，航天員們在特殊的“蔬菜盒子”里種植這些種子，“蔬菜盒子”是美國威斯康星的麥迪遜軌道技術(shù)中心設(shè)計(jì)出來的。

“蔬菜盒子”的底層由土壤和化肥組成，由于在太空不能給蔬菜澆水，底層的下層設(shè)計(jì)有特殊的灌溉系統(tǒng)，盒子內(nèi)還安裝了紅綠藍(lán)三色的LED燈以模擬地球上的日照來促進(jìn)蔬菜生長。生菜的種子被撒放在底層上，共生長了33天。在生菜成熟后，國際空間站的航天員林德格林戴著藍(lán)手套，用鑷子從盒子里面收獲了這些生菜，他自己和其他幾名航天員都品嘗了生菜。

品嘗太空生菜后的航天員認(rèn)為“味道好極了”，有些像“芝麻菜”。國際空間站能種植生菜意味著未來也能種植其他蔬菜，如西紅柿、豆角和水果，如藍(lán)莓，甚至種植糧食作物，這也為未來移民火星提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。因?yàn)?，到達(dá)火星和其他星球需要耗時數(shù)月、甚至數(shù)年，并且到達(dá)火星和其他星球后也面臨食物的問題，這就需要在火星及其他星球上種植作物。

其他困難

但是，現(xiàn)在研究人員還不能證實(shí)火星上是否能種植作物。

美國國家航空航天局早就在進(jìn)行模擬移民火星的試驗(yàn)，最著名的就是“夏威夷太空探索模擬和仿真”試驗(yàn)項(xiàng)目，由美國國家航空航天局人類研究項(xiàng)目、夏威夷大學(xué)以及康奈爾大學(xué)共同開展，旨在觀察試驗(yàn)成員心理和生理上的情況，以評估在未來的火星之旅中，航天員可能遭遇到的風(fēng)險(xiǎn)。

這個項(xiàng)目已進(jìn)行過4次試驗(yàn)，最初兩次為期4個月，第3次在2014年開展，持續(xù)了8個月。2015年8月又進(jìn)行了時間最長的一年時間的試驗(yàn)，有美國、德國和法國的6名研究人員參加。他們于2015年8月29日進(jìn)入位于夏威夷冒納羅亞火山的圓頂屋，進(jìn)行為期一年的模擬火星移民生活。

夏威夷冒納羅亞火山被認(rèn)為是最接近火星生存環(huán)境的地區(qū)之一。該地區(qū)海拔2400多米，非常貧瘠，幾乎寸草不生。研究人員在熔巖區(qū)一座直徑11米、高6米的圓頂屋里生活。這個圓頂屋密閉性絕佳，通過回收利用室內(nèi)空氣，實(shí)現(xiàn)氧氣自給。圓頂屋旁還裝有用于供電的太陽能板。研究人員擁有自己的小房間，可以放下一張輕便小床和桌子。

研究人員平日的生活也盡量“假裝在火星”，如果需要走出圓頂屋，必須穿上宇航服。但是，遺憾的是研究人員在一年內(nèi)吃的食物大部分都是冰凍、去水分的加工食品，如奶酪粉和金槍魚罐頭。因此，研究人員并不能試驗(yàn)是否在火星上可以種植莊稼。盡管如此，試驗(yàn)組成員之一、法國的科學(xué)家西普里安稱，在不遠(yuǎn)的未來，移民火星是可以實(shí)現(xiàn)的，無論科技上還是身體上的阻礙，都可以克服。

話雖如此，但如果不能解決食物供給，移民火星其實(shí)是一句空話。生存的基礎(chǔ)在于食物和能量供給，如果在火星上不能種植和飼養(yǎng)牲畜以實(shí)現(xiàn)食物的自給自足，就不能在火星生存。目前看來在火星上種植作物的可能性極其微小。作物的生長需要水、土壤、空氣、陽光、肥料，甚至還需要重力。目前，作物生長的這些條件在火星上都不具備。以重力而言，火星上的重力比地球上要小很多。

不過，在火星那樣的微重力情況下作物是否正常生長，還需要實(shí)驗(yàn)證明。而且可以參照國際空間站種植蔬菜的方法種植作物，但是需要特殊的種植盒子。此外，在火星上大面積種植糧食作物還需要設(shè)計(jì)大棚，就像地球上的溫室大棚一樣。這也需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

另一方面，現(xiàn)在和未來的研究還必須徹底弄清到底火星上的輻射環(huán)境是否對人類無害，并且要解決在火星上生存的另一些大問題，如火星上白天和夜晚相當(dāng)可怕的溫差，在白天時火星赤道附近的溫度為21℃;但是由于大氣層很薄，到了晚上溫度會驟降到平均-73℃;同時，火星上還缺氧，火星上的大氣層有約95%的二氧化碳，要讓火星大氣中的氧含量和地球相同，可能需要花上1000年的時間。

因此，即便人類可以移民火星，也將是時間遙遠(yuǎn)，道阻且長，并非2030年就可實(shí)現(xiàn)。不過，所有的困難也可能不會阻礙鐵了心要探索和移民火星的人類。

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