太空殖民的未来——地球化还是太空栖息地？_风闻

作者：马特·威廉姆斯， 《今日宇宙》

地球化火星（左）和奥尼尔圆柱体的艺术家概念图。图片来源：Ittiz/Wikimedia Commons（左）/Rick Guidice/NASA Ames 研究中心（右）改造火星——又名“地球的双胞胎”——的想法是一个迷人的想法。在融化极地冰盖、慢慢营造气氛，然后设计环境以拥有树叶、河流和静止水体之间，这些足以激发几乎任何人的灵感！但是这样的努力需要多长时间，我们要付出什么代价，这真的是对我们时间和精力的有效利用吗？

上周（2 月 27 日星期一至 3 月 1 日星期三）在 NASA 的“行星科学愿景 2050 研讨会”上发表的两篇论文涉及的就是这些问题。第一个标题为“地球化时间轴”，提出了将红色星球变成绿色宜居星球的抽象计划。第二个标题为“火星改造——错误的方式”，完全拒绝了改造的想法，并提出了另一种选择。

前一篇论文由加州大学伯克利分校的 Aaron Berliner 和美国宇航局艾姆斯研究中心空间科学部的 Chris McKay 撰写。在他们的论文中，这两位研究人员提出了火星改造的时间表，其中包括一个变暖阶段和一个氧化阶段，以及之前和之后的所有必要步骤。

正如他们在论文的引言中所说：

“改造火星可分为两个阶段。第一阶段是使地球从目前的平均表面温度 -60°C 升温到接近地球平均温度的值 +15°C，并重建厚厚的 CO² 大气层。这变暖阶段相对容易和快速，可能需要约 100 年。第二阶段是在大气中产生一定水平的氧气，使人类和其他大型哺乳动物能够正常呼吸。这个充氧阶段相对困难，需要 100,000 年或更多，除非有人假定技术突破。”

在这些开始之前，Berliner 和 McKay 承认需要采取某些“预改造”步骤。其中包括调查火星的环境以确定地表的水位、大气中的二氧化碳含量和极地地区的冰形式，以及火星土壤中的硝酸盐含量。正如他们解释的那样，所有这些都是在火星上建立生物圈的实用性的关键。

到目前为止，现有证据表明火星上大量存在这三种元素。虽然大部分火星水目前在极地地区和极地冰盖中以冰的形式存在，但那里有足够的水来支持水循环——包括云、雨、河流和湖泊。同时，一些估计声称极地地区有足够的冰形式的二氧化碳来创造一个相当于地球海平面压力的大气层。

氮也是生命的基本需求和可呼吸大气的必要成分，好奇号漫游者最近的数据表明，硝酸盐占火星土壤质量的 0.03%，这对地球化来说是令人鼓舞的。最重要的是，科学家们需要解决与地球化改造如何影响火星相关的某些伦理问题。

例如，如果火星上目前存在任何生命（或可以复活的生命），这将给人类殖民者带来不可否认的道德困境——尤其是当这种生命与地球上的生命相关时。正如他们解释的那样：

艺术家对火星改造的印象，从目前的状态到宜居世界。图片来源：大因巴拉德“如果火星生命与地球生命有关——可能是由于陨石交换——那么情况就很熟悉了，必须解决引入哪些其他类型的地球生命以及何时引入的问题。然而，如果火星生命与地球生命无关，并且显然代表了生命的第二个起源，然后提出了重大的技术和伦理问题。”

为了简明扼要地打破第一阶段——“变暖阶段”，作者解决了我们今天熟悉的一个问题。从本质上讲，我们正在通过向大气中引入二氧化碳和“超级温室气体”来改变我们地球上的气候，这使地球的平均温度以每世纪几摄氏度的速度增加。虽然这在地球上是无意的，但在火星上它可以重新用于故意使环境变暖。

“在集中精力生产超级温室气体后，火星变暖的时间尺度很短，只有 100 年左右，”他们声称。“如果以 100% 的效率捕获火星上的所有太阳入射，那么火星将在大约 10 年内变暖到与地球相似的温度。然而，温室效应的效率可能约为 10%，因此它会在使火星变暖大约需要 100 年。”

一旦形成了这种厚厚的大气层，下一步就是将其转化为人类可以呼吸的物质——其中 O² 水平相当于地球上海平面气压的 13%，而 CO² 水平将低于 1%。这个阶段，被称为“氧化阶段”，将花费相当长的时间。再一次，他们转向一个陆地例子来展示这样一个过程是如何工作的。

他们声称，在地球上，高水平的氧气 (O²) 和低水平的二氧化碳是由光合作用造成的。这些反应依靠太阳能将水和二氧化碳转化为生物质——用等式 H²O + CO² = CH²O + O² 表示。正如他们所说明的，这个过程需要 100,000 到 170,000 年：

“如果火星上的所有阳光都以 100% 的效率进行这种化学转化，那么只需要 17 年就可以产生高水平的 O²。但是，任何可以将 H²O 和 CO² 转化为生物质和 O² 的过程的可能效率远低于 100%。唯一可以在全球范围内改变整个植物的 CO² 和 O² 的过程的例子是全球生物学。在地球上，全球生物圈利用阳光生产生物质和 O2 的效率为 0.01% . 因此，在火星上产生富含 O² 的大气层的时间尺度是 10,000 x 17 年，或约 170,000 年。

然而，他们考虑到了合成生物学和其他生物技术，他们声称这些技术可以提高效率并将时间跨度缩短到 100,000 年。此外，如果人类能够在整个地球上利用自然光合作用（效率相对较高，可达 5%）——即在整个火星上种植植物——那么时间甚至可以缩短到几个世纪。

最后，他们概述了启动计划所需采取的步骤。这些步骤包括调整当前和未来的机器人任务以评估火星资源、可以检查所涉及过程的数学和计算机模型、为火星创造合成生物的倡议、在有限环境中测试地球化技术的手段，以及一项行星协议将建立限制和保护措施。

他们引用了红色火星三部曲（关于改造火星的科幻小说的开创性作品）的作者金·斯坦利·罗宾逊的话，发出了行动号召。在谈到火星改造过程需要多长时间时，他们断言我们“不妨现在就开始”。

艺术家对可能的火星改造工厂的概念。图片来源：国家地理频道对此，来自乌克兰哈尔科夫水质实验室的天体物理学家和水文地质学家 Valeriy Yakovlev 提出了不同意见。在他的论文“火星地球化——错误的方式”中，他提出了在近地轨道上创建空间生物圈的理由，该空间生物圈将依靠人工重力（如奥尼尔圆柱体）让人类逐渐习惯在空间。

雅科夫列夫着眼于太空殖民的最大挑战之一，指出月球或火星等天体上的生命对人类定居者来说可能是多么危险。除了容易受到太阳和宇宙辐射的影响外，殖民者还必须应对低得多的重力。在月球的情况下，这大约是人类在地球上所经历的（也就是 1 g）的 0.165 倍，而在火星上大约是 0.376 倍。

其长期影响尚不清楚，但很明显它会包括肌肉退化和骨质流失。从更远的角度来看，完全不清楚这对在这两种环境中出生的孩子会有什么影响。在谈到可以减轻这些影响的方式（包括药物和离心机）时，Yakovlev 指出它们最有可能是无效的：

“医学发展的希望不会消除肌肉、骨骼和整个有机体的物理退化。与船舶生物圈相比，离心机中的康复不是权宜之计，在船舶生物圈中可以提供对正常情况的基本恒定的模仿引力和保护复合体免受空间环境的任何有害影响。如果太空探索的道路是在火星上建立殖民地，并进一步尝试对地球进行改造，这将导致不合理的时间和金钱损失，并增加人类文明的已知风险。”

此外，他还指出了为生活在太空中的个人创造理想环境的挑战。除了简单地创造更好的交通工具和开发获取必要资源的手段外，还需要为家庭创造理想的空间环境。从本质上讲，这需要开发在尺寸、稳定性和舒适度方面最佳的住房。

有鉴于此，Yakolev 提出了他认为从现在到 2030 年人类退出太空最有可能的前景。这将包括创建第一个具有人造重力的太空生物圈，这将导致材料方面的关键发展技术、生命支持系统以及在近地轨道 (LEO) 中安装和服务栖息地所需的机器人系统和基础设施。

由于可以从附近的天体（例如月球和近地天体 (NEO)）收集资源的机器人航天器的创建，这些栖息地可以得到服务。这个概念不仅可以消除对行星保护的需求——即对污染火星生物圈的担忧（假设存在细菌生命），还可以让人类逐渐适应太空。

正如 Yakovlev 通过电子邮件告诉 Universe Today 的那样，太空栖息地的优势可以分为四点：

“1. 这是掌握宇宙无限空间的通用方法，包括太阳系内外。我们不需要表面来安装房屋，而是机器人将从行星和卫星提供的资源。2. 可能性创造一个尽可能靠近地球摇篮的栖息地可以让人们摆脱在不同重力下不可避免的物理退化。更容易创造一个保护性磁场。

火星的南极冰盖，如 2000 年 4 月火星奥德赛任务所见。图片来源：NASA/JPL/MSSS“3. 世界和资源源之间的转移不会是危险的远征，而是正常的生活。对于没有家人的水手来说是好事吗？ 4. 全球灾难导致人类死亡或退化的概率是显着减少，因为行星的殖民化包括侦察、货物运送、人员穿梭运输——这比在月球轨道上建造生物圈要长得多。史蒂芬·威廉·霍金博士是对的，一个人没有很多时间。”

有了太空栖息地，一些非常重要的研究就可以开始，包括涉及第一批在太空出生的孩子的医学和生物学研究。它还将促进可靠的航天飞机和资源开采技术的发展，这些技术将有助于其他天体的定居——如月球、火星，甚至系外行星。

最终，Yakolev 认为太空生物圈也可以在合理的时间范围内完成——即 2030 年到 2050 年之间——这对于地球化改造来说是根本不可能的。Yakolev 引用了商业航天部门日益增长的存在和力量，还认为许多必要的基础设施已经到位（或正在开发中）。

“在我们克服思维惯性+20年后，实验性生物圈（就像手表在南极洲的定居点），50年后宇宙中出生的第一代孩子会长大，地球会减少，因为它会进入整个传说……因此，地球化改造将被取消。随后的会议将为真正探索宇宙开辟道路。我很自豪能和埃隆·里夫·马斯克在同一个星球上。他的导弹将有助于从月球工厂中提取第一个生物圈的设计。这是征服宇宙的近距离和直接方式。”

随着 NASA 科学家和企业家（如 Elon Musk 和 Bas Landorp）希望在不久的将来殖民火星，以及其他商业航天公司开发 LEO，人类在太空中未来的规模和形态很难预测。也许我们将共同决定一条通往月球、火星和更远地方的道路。也许我们会看到我们最大的努力被引导到近地空间。

或者，也许我们会看到自己同时朝多个方向前进。一些团体将提倡在近地轨道（以及后来的太阳系其他地方）建立依靠人工重力和机器人宇宙飞船从小行星上开采材料的太空栖息地，而另一些团体将专注于在行星体上建立前哨站，目标是将它们变成“新地球”。

在他们之间，我们可以预期人类将在本世纪开始发展一定程度的“太空专业知识”，当我们开始进一步推动探索和殖民的界限时，这肯定会派上用场。

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