太空殖民的未來——地球化還是太空棲息地？_風聞

作者：馬特·威廉姆斯， 《今日宇宙》

地球化火星（左）和奧尼爾圓柱體的藝術家概念圖。圖片來源：Ittiz/Wikimedia Commons（左）/Rick Guidice/NASA Ames 研究中心（右）改造火星——又名“地球的雙胞胎”——的想法是一個迷人的想法。在融化極地冰蓋、慢慢營造氣氛，然後設計環境以擁有樹葉、河流和靜止水體之間，這些足以激發幾乎任何人的靈感！但是這樣的努力需要多長時間，我們要付出什麼代價，這真的是對我們時間和精力的有效利用嗎？

上週（2 月 27 日星期一至 3 月 1 日星期三）在 NASA 的“行星科學願景 2050 研討會”上發表的兩篇論文涉及的就是這些問題。第一個標題為“地球化時間軸”，提出了將紅色星球變成綠色宜居星球的抽象計劃。第二個標題為“火星改造——錯誤的方式”，完全拒絕了改造的想法，並提出了另一種選擇。

前一篇論文由加州大學伯克利分校的 Aaron Berliner 和美國宇航局艾姆斯研究中心空間科學部的 Chris McKay 撰寫。在他們的論文中，這兩位研究人員提出了火星改造的時間表，其中包括一個變暖階段和一個氧化階段，以及之前和之後的所有必要步驟。

正如他們在論文的引言中所説：

“改造火星可分為兩個階段。第一階段是使地球從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，並重建厚厚的 CO² 大氣層。這變暖階段相對容易和快速，可能需要約 100 年。第二階段是在大氣中產生一定水平的氧氣，使人類和其他大型哺乳動物能夠正常呼吸。這個充氧階段相對困難，需要 100,000 年或更多，除非有人假定技術突破。”

在這些開始之前，Berliner 和 McKay 承認需要採取某些“預改造”步驟。其中包括調查火星的環境以確定地表的水位、大氣中的二氧化碳含量和極地地區的冰形式，以及火星土壤中的硝酸鹽含量。正如他們解釋的那樣，所有這些都是在火星上建立生物圈的實用性的關鍵。

到目前為止，現有證據表明火星上大量存在這三種元素。雖然大部分火星水目前在極地地區和極地冰蓋中以冰的形式存在，但那裏有足夠的水來支持水循環——包括雲、雨、河流和湖泊。同時，一些估計聲稱極地地區有足夠的冰形式的二氧化碳來創造一個相當於地球海平面壓力的大氣層。

氮也是生命的基本需求和可呼吸大氣的必要成分，好奇號漫遊者最近的數據表明，硝酸鹽佔火星土壤質量的 0.03%，這對地球化來説是令人鼓舞的。最重要的是，科學家們需要解決與地球化改造如何影響火星相關的某些倫理問題。

例如，如果火星上目前存在任何生命（或可以復活的生命），這將給人類殖民者帶來不可否認的道德困境——尤其是當這種生命與地球上的生命相關時。正如他們解釋的那樣：

藝術家對火星改造的印象，從目前的狀態到宜居世界。圖片來源：大因巴拉德“如果火星生命與地球生命有關——可能是由於隕石交換——那麼情況就很熟悉了，必須解決引入哪些其他類型的地球生命以及何時引入的問題。然而，如果火星生命與地球生命無關，並且顯然代表了生命的第二個起源，然後提出了重大的技術和倫理問題。”

為了簡明扼要地打破第一階段——“變暖階段”，作者解決了我們今天熟悉的一個問題。從本質上講，我們正在通過向大氣中引入二氧化碳和“超級温室氣體”來改變我們地球上的氣候，這使地球的平均温度以每世紀幾攝氏度的速度增加。雖然這在地球上是無意的，但在火星上它可以重新用於故意使環境變暖。

“在集中精力生產超級温室氣體後，火星變暖的時間尺度很短，只有 100 年左右，”他們聲稱。“如果以 100% 的效率捕獲火星上的所有太陽入射，那麼火星將在大約 10 年內變暖到與地球相似的温度。然而，温室效應的效率可能約為 10%，因此它會在使火星變暖大約需要 100 年。”

一旦形成了這種厚厚的大氣層，下一步就是將其轉化為人類可以呼吸的物質——其中 O² 水平相當於地球上海平面氣壓的 13%，而 CO² 水平將低於 1%。這個階段，被稱為“氧化階段”，將花費相當長的時間。再一次，他們轉向一個陸地例子來展示這樣一個過程是如何工作的。

他們聲稱，在地球上，高水平的氧氣 (O²) 和低水平的二氧化碳是由光合作用造成的。這些反應依靠太陽能將水和二氧化碳轉化為生物質——用等式 H²O + CO² = CH²O + O² 表示。正如他們所説明的，這個過程需要 100,000 到 170,000 年：

“如果火星上的所有陽光都以 100% 的效率進行這種化學轉化，那麼只需要 17 年就可以產生高水平的 O²。但是，任何可以將 H²O 和 CO² 轉化為生物質和 O² 的過程的可能效率遠低於 100%。唯一可以在全球範圍內改變整個植物的 CO² 和 O² 的過程的例子是全球生物學。在地球上，全球生物圈利用陽光生產生物質和 O2 的效率為 0.01% . 因此，在火星上產生富含 O² 的大氣層的時間尺度是 10,000 x 17 年，或約 170,000 年。

然而，他們考慮到了合成生物學和其他生物技術，他們聲稱這些技術可以提高效率並將時間跨度縮短到 100,000 年。此外，如果人類能夠在整個地球上利用自然光合作用（效率相對較高，可達 5%）——即在整個火星上種植植物——那麼時間甚至可以縮短到幾個世紀。

最後，他們概述了啓動計劃所需採取的步驟。這些步驟包括調整當前和未來的機器人任務以評估火星資源、可以檢查所涉及過程的數學和計算機模型、為火星創造合成生物的倡議、在有限環境中測試地球化技術的手段，以及一項行星協議將建立限制和保護措施。

他們引用了紅色火星三部曲（關於改造火星的科幻小説的開創性作品）的作者金·斯坦利·羅賓遜的話，發出了行動號召。在談到火星改造過程需要多長時間時，他們斷言我們“不妨現在就開始”。

藝術家對可能的火星改造工廠的概念。圖片來源：國家地理頻道對此，來自烏克蘭哈爾科夫水質實驗室的天體物理學家和水文地質學家 Valeriy Yakovlev 提出了不同意見。在他的論文“火星地球化——錯誤的方式”中，他提出了在近地軌道上創建空間生物圈的理由，該空間生物圈將依靠人工重力（如奧尼爾圓柱體）讓人類逐漸習慣在空間。

雅科夫列夫着眼於太空殖民的最大挑戰之一，指出月球或火星等天體上的生命對人類定居者來説可能是多麼危險。除了容易受到太陽和宇宙輻射的影響外，殖民者還必須應對低得多的重力。在月球的情況下，這大約是人類在地球上所經歷的（也就是 1 g）的 0.165 倍，而在火星上大約是 0.376 倍。

其長期影響尚不清楚，但很明顯它會包括肌肉退化和骨質流失。從更遠的角度來看，完全不清楚這對在這兩種環境中出生的孩子會有什麼影響。在談到可以減輕這些影響的方式（包括藥物和離心機）時，Yakovlev 指出它們最有可能是無效的：

“醫學發展的希望不會消除肌肉、骨骼和整個有機體的物理退化。與船舶生物圈相比，離心機中的康復不是權宜之計，在船舶生物圈中可以提供對正常情況的基本恆定的模仿引力和保護複合體免受空間環境的任何有害影響。如果太空探索的道路是在火星上建立殖民地，並進一步嘗試對地球進行改造，這將導致不合理的時間和金錢損失，並增加人類文明的已知風險。”

此外，他還指出了為生活在太空中的個人創造理想環境的挑戰。除了簡單地創造更好的交通工具和開發獲取必要資源的手段外，還需要為家庭創造理想的空間環境。從本質上講，這需要開發在尺寸、穩定性和舒適度方面最佳的住房。

有鑑於此，Yakolev 提出了他認為從現在到 2030 年人類退出太空最有可能的前景。這將包括創建第一個具有人造重力的太空生物圈，這將導致材料方面的關鍵發展技術、生命支持系統以及在近地軌道 (LEO) 中安裝和服務棲息地所需的機器人系統和基礎設施。

由於可以從附近的天體（例如月球和近地天體 (NEO)）收集資源的機器人航天器的創建，這些棲息地可以得到服務。這個概念不僅可以消除對行星保護的需求——即對污染火星生物圈的擔憂（假設存在細菌生命），還可以讓人類逐漸適應太空。

正如 Yakovlev 通過電子郵件告訴 Universe Today 的那樣，太空棲息地的優勢可以分為四點：

“1. 這是掌握宇宙無限空間的通用方法，包括太陽系內外。我們不需要表面來安裝房屋，而是機器人將從行星和衞星提供的資源。2. 可能性創造一個儘可能靠近地球搖籃的棲息地可以讓人們擺脱在不同重力下不可避免的物理退化。更容易創造一個保護性磁場。

火星的南極冰蓋，如 2000 年 4 月火星奧德賽任務所見。圖片來源：NASA/JPL/MSSS“3. 世界和資源源之間的轉移不會是危險的遠征，而是正常的生活。對於沒有家人的水手來説是好事嗎？ 4. 全球災難導致人類死亡或退化的概率是顯着減少，因為行星的殖民化包括偵察、貨物運送、人員穿梭運輸——這比在月球軌道上建造生物圈要長得多。史蒂芬·威廉·霍金博士是對的，一個人沒有很多時間。”

有了太空棲息地，一些非常重要的研究就可以開始，包括涉及第一批在太空出生的孩子的醫學和生物學研究。它還將促進可靠的航天飛機和資源開採技術的發展，這些技術將有助於其他天體的定居——如月球、火星，甚至系外行星。

最終，Yakolev 認為太空生物圈也可以在合理的時間範圍內完成——即 2030 年到 2050 年之間——這對於地球化改造來説是根本不可能的。Yakolev 引用了商業航天部門日益增長的存在和力量，還認為許多必要的基礎設施已經到位（或正在開發中）。

“在我們克服思維慣性+20年後，實驗性生物圈（就像手錶在南極洲的定居點），50年後宇宙中出生的第一代孩子會長大，地球會減少，因為它會進入整個傳説……因此，地球化改造將被取消。隨後的會議將為真正探索宇宙開闢道路。我很自豪能和埃隆·裏夫·馬斯克在同一個星球上。他的導彈將有助於從月球工廠中提取第一個生物圈的設計。這是征服宇宙的近距離和直接方式。”

隨着 NASA 科學家和企業家（如 Elon Musk 和 Bas Landorp）希望在不久的將來殖民火星，以及其他商業航天公司開發 LEO，人類在太空中未來的規模和形態很難預測。也許我們將共同決定一條通往月球、火星和更遠地方的道路。也許我們會看到我們最大的努力被引導到近地空間。

或者，也許我們會看到自己同時朝多個方向前進。一些團體將提倡在近地軌道（以及後來的太陽系其他地方）建立依靠人工重力和機器人宇宙飛船從小行星上開採材料的太空棲息地，而另一些團體將專注於在行星體上建立前哨站，目標是將它們變成“新地球”。

在他們之間，我們可以預期人類將在本世紀開始發展一定程度的“太空專業知識”，當我們開始進一步推動探索和殖民的界限時，這肯定會派上用場。

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