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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
关于我

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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《赶往火星》——在火星上建基地(下)   

2013-01-30 10:51:28|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

你大概看过SpaceX公司打算送8万人去火星定居的新闻,也注意到了最近荷兰那个征集火星殖民者的真人秀,那么,真人去火星,到底怎么走?

看完这本《赶往火星》(The Case for Mars)(http://book.douban.com/subject/10532684/),一切疑问应该会得到解答。

“火星狂人”、航空航天工程师、美国火星协会主席罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)1996年就写出了这本书,2012年,他又将之全面修订,但主张没有变:只需要10年,我们就能利用现有技术把人类送上火星,然后利用当地资源,逐步实现火星定居。

如果一切顺利的话,2022年,人类载人火星计划的第一批成员将离开地球,他们会在6个月后看到火星锈色的土壤;2033年,数次短期考察后,宇航员们会找到火星定居的最佳位置,人类文明的新分支将在此生根发芽。完全利用现有技术,预算合理。

卡尔·萨根说:“祖布林几乎单枪匹马地改变了我们在这个问题上的想法。”阿瑟·克拉克则为此书第一版作序,说这是他所见的“关于火星的过去与未来综合性最强的记录”。

书的前6章中,祖布林详述了这项“火星直击”计划的前因后果、具体发射安排和其中涉及的所有技术细节:出发速度、往返轨道、启程时机、考察组组成、后勤补给、后备计划、可能的阻碍,以及宇航员们在火星上如何行动,如何生产燃料和氧,如何联络、导航、计时(关于火星日历,请看《赶往火星:火星日历》)。

接下来,祖布林要说的是如何在火星建立基地并开展火星殖民,我们的连载就从这里开始。

再次提醒:这不是科幻小说。

译者:徐蕴芸

前情提要:[小红猪]《赶往火星》——在火星上建基地(上)

制造陶瓷和玻璃

黏土型的矿物在火星表面土壤中也是无处不见的。因此,将制陶工艺用于陶器生产和其他用途也是件简单的事。海盗号登陆器在火星上测量到的最常见材料是二氧化硅(SiO2),其占海盗1号和海盗2号土壤样品重量的约40%。二氧化硅是玻璃的基本组成部分,因而可以很容易地在火星上用熔沙技术生产玻璃,而这种技术已经在地球上用了数千年了。然而,对于火星玻璃行业来说不幸的是,那里第二常见的化合物(约占海盗样品的17%)是氧化铁,Fe2O3。这就带来了问题。如果你想得到光学品质的玻璃,作原料的沙必须是几乎不含铁的,而这种沙在火星上可不太容易找到。所以,如果想在火星上制造光学玻璃,首先需要去除氧化铁。我们可以用RWGS反应堆中热的一氧化碳“废物”把氧化铁敲掉,生成金属铁和二氧化碳,然后用磁铁把金属铁产物吸走。我承认这会很烦人,但你可以把取出来的铁用在其他方面,比如炼钢,这一点稍后将作讨论。事实上,基地需要的钢一定比光学玻璃多,基地运行一段时间后,就不缺已经去除铁的材料了,玻璃制造商们有得忙了。然而需要提出的是,很多重要的玻璃制品并不需要使用光学玻璃,包括用于建造各种结构的优良材料——玻璃纤维。

取水

在火星人脑海中,有一个问题永远是最重要的,比当地劳工、妇女的参政权和东方问题加在一起还重要——水的问题。如何取得足以支撑生命的水,是每天最大的公共问题。

——帕西瓦尔?洛威尔,《火星》,1895

帕西瓦尔?洛威尔可能在很多事情上都错了,但他关于火星之水的看法却颇有先见之明。从制造火箭燃料、火星车燃料和氧气,到生产塑料、砖块、灰浆和陶器,从农作物种植,到密封泄漏和用人工冻土层硬化土壤,我们目前讨论的通过人类探索和定居打开火星的一切机会,都建立在水的基础上。把水运输到火星上显然是个毫无希望和吸引力的主意,不过最初几次任务的时候,我们还是可以负担水的制造的,只需要把它11%的氢从地球上带过去,与火星二氧化碳大气中的氧相结合即可得到水。一旦火星基地开始建造,我们就必须进步。人类活动的开展、更多土木和化学工程的使用,尤其是在基地建造阶段不断发展的农业,都会使得对推进剂的要求水涨船高,对火星上用水的需求也会相当高,届时从地球运输氢气去火星不再具有可行性。如果人类想在火星上繁衍,我们就必须找到办法,在当地获得水。

所以,我们够聪明的话,就得把基地建设在水源附近。这是很可能实现的。如果你看看今天的火星,会看到火星北极地区的大片凹陷地形,其中点缀着几个环形山。我们相信在火星的早期历史上,这一巨大盆地曾经灌满了水,因此在这颗星球第一个10亿年左右的流星撞击事件中保护了它。这片古老海洋的最后残余,是北部的极冠,它由水冰组成(目前估计约200万立方千米)。欧洲的“火星快车号”轨道探测器也发现火星北部有充满水冰的环形山。但这些都只是纯水的已知来源。在轨道上用伽马射线和中子谱仪对火星进行测绘,NASA的“火星奥德赛号”飞船发现,火星的两个半球都有面积与大洲相当的大片区域,其地表土壤中40%~60%的质量是水分。然而,我们从轨道照片上看,会发现北部的干涸河床和流出河道比南方的多。这些河道的最后岁月中,它们可能把冰或永冻层留在了河道口。这些沉积也许今天还在,覆盖在尘土下而远离我们的视线。从轨道进行的大气湿度测量也毫无疑问地发现北半球比南方潮湿,全年最湿润的就是北方的春天。北半球过去曾存在更大量的水分,这一事实对未来的火星定居非常重要,还有另一个原因:水文学活动对于形成大量的各类矿石也非常关键。如果霍勒斯?格里利[1]曾住在火星上,他给予年轻的火星人关于寻找财富的忠告会非常简单:去北方。

在火星上取水有许多可能成功的办法。首先,最有吸引力但最成问题的方法很简单:找到它。如第6章中讨论的,火星上有可能存在地下的液态地热水池。火星车上的队员们携带探地雷达,可以探测距地表深1千米的地下水。火星车队员不需要进行随机搜索。轨道、飞船或气球上的探测器可以用低分辨率雷达先进行检测,确定哪儿最有可能成功。还有些其他的线索来源,比如可能会发现甲烷喷发口,这标志着地下有水热活动(甚至是可能的生命!)。类似火星全球探勘者号所提供的那种图像能够揭示悬崖边或环形山在最近临时流出的水。如果我们能发现这样的水池,并向下钻取,热的压水会像得克萨斯油田井的油那样直接喷出地面。一旦它与火星的低压寒冷空气相遇,水温就无法保持太久。根据其弹射速度,它可能会在100米距离内冻结成冰晶,落回到地面。一个雪火山会迅速形成,可能体积还不小。以如此壮观的方式提取水有点浪费,因为这种热水井代表了可观的能源。但是,仅考虑水源的问题,把基地设在热水自流井旁边也许再好不过了。

当然了,不能指望事情总这么顺利。在可钻取范围内可能无法得到地下液态水。那怎么办?次好的选择是找到盐水。饱和的盐溶液在-55摄氏度的低温中依然可以是液态的,也就是说即使没有地热,这种盐水依然可能在如今的火星上,在中层土壤或冰层中未蒸发掉,也许十分接近地表。盐水除了是好的水源,其中还可能蕴藏着现在的火星生命。目前火星上还未确定过盐水的存在,但勇气号和机遇号火星车都在古老的湖边发现过大量的盐。部分科学家相信,这些从轨道上拍摄的火星盆地照片周围的浅色部分,可能代表了大量的盐沉积,它们在火星上消失的海岸线处遗留下来。

排在盐水之后,下一个引人注意的火星水源是冰。火星北极冠有大量水冰的沉积,但我们不想在那儿建立基地。在北纬70度以南区域,我们没有看到大量永久性的冰沉积,但理论显示,北纬40度以北的地下1米左右可能有稳定的冰层。这可能只是局部区域的异常。在我所居住的科罗拉多州,房子南侧是夏季时,房子北侧可能是冬季。甚至在酷热的8月中旬的某天,也可能看到山的北坡阴影凹陷处有个雪窝,这种情况并不少见。建立在这种经验的基础上,我们有理由怀疑火星上有些冷的缝隙、熔岩、洞穴或山坡北面背阴处都可能找到冰,即使行星尺度的气候模型认为这不可能。这种情况是已被证实了的。火星勘测轨道飞行器2009年的观测报告显示,在北纬43度和56度之间相对较新的五个环形山中数英尺深的地方找到了纯水冰。(三个位置在Cebrenia方区,分别是55.57°N,150.62°E;43.28°N,176.9°E;和45°N,164.5°E。其他两处位于Diacria方区,分别是46.7°N,176.8°E和46.33°N,176.9°E。)这一发现证实了火星的中纬度地区也有纯水存在。

不过,这种纯水的储备在非极地区域依然不是随处可见。火星探测者们更容易找到的是永冻层,或冷冻泥。它们当中会含有大量的水,但需要带着炸药才能采取。永冻层在火星温度下是相当坚硬的。事实上,在某些应用方面,它是火星建筑的完美材料。永冻砖比火烤出来的红色黏土砖强度大得多,而且不需要用烤箱来制作,也不需要用灰浆来黏合。立刻成型,只需加水。立刻取水,只需融岩。

聊了这么多关于火星水勘探和开采的英雄式故事,下面看看更世俗更工业式的做法。

火星土壤中含有一些水。我们知道这是事实,因为在两次海盗号的登陆位点,从最表浅的10厘米地表随机取样的土壤加热到500摄氏度时,都发现了占质量1%的水。这个结果不坏,但这个测试不太公平。因为地表土壤是最干的,样品也只被加热了30秒,而且测试前,在15摄氏度的环境下,样品已经在非密闭容器中放置了好几天。15摄氏度远远超过了火星的平均温度,很有可能已有大量水分在测试前就从样品中排出了。根据海盗号的结果,可以认为火星土壤中平均水含量至少有4%。这一点已经由火星奥德赛号证实。但肯定有某些土壤比平均水平更潮湿。比如,火星上的盐会与10%的水分发生化学结合,在适当的温度下加热就可以将水释放。火星上常见的黏土也具有出色的吸水能力,比如在SNC陨石中已经发现的蒙脱石土。蒙脱石黏土,又称皂土、膨润土,它能吸收占自身质量百分之几十的水,在这个过程中体积膨胀。SNC陨石中也发现了许多矿物石膏。石膏在火星上似乎也很常见,因为海盗号两次登陆位点测量到的硫和钙都比它们在地球土壤中的平均含量高得多(分别为后者的40倍和3倍)。石膏可含有占质量20%以上的水。

无论是4%还是20%,要从土壤中得到水,所需要的就是加热。这可以用两种方式做到:把土壤放进加热器,或者把加热器放进土壤。【图1】显示了第一种方法。一辆满载着相对潮湿土壤的卡车把负载都倒进传送带送入烤箱。烤箱能把土壤加热到500摄氏度左右,令吸附的水以气体形式排出。这种方式产生的蒸汽通过冷凝器收集,脱水后的尘土倾倒掉。得到的“渣堆”会带来不便,但这一系统的效能还不错。如果用含水4%的土壤作为给料,运行系统所需的能量大约为每千克水3千瓦小时(kWh)。依此计算,用100千瓦电力(kWe)的反应堆驱动烤箱,水产量可以达到每天900千克;如果用反应堆的余热烘烤尘土,则水产量能达到每天18000千克。(目前太空核动力源使用的温差电池在热力转化为电力方面只有5%的效率,其他95%都是“余热”。)

【图1,用于在火星土壤中提取水的卡车、烤箱和扎堆系统。(绘图:迈克尔?卡罗)】

呃,那堆恼人的干废渣怎么办呢?我们能以每天18000千克的速度生产水,但将会以每天462000千克的速度堆起脱水渣。这大概也在能忍耐的范围内吧:不过是120立方米,6卡车的东西。也许我们也能把废渣利用起来,也许干脆倒进附近的环形山里。但是,如果你不想身陷尘土中,另一个办法就是把加热器放进土里。有个提议是用一个带轮子的烤箱,沿着车辙采集土壤,烘烤,冷凝蒸汽,然后弹出干渣,边走边干。也许我们不能在这样的系统上使用核反应堆,但旅行者号、海盗号、伽利略号[2]和其他外太阳系飞船上使用的那种放射性同位素温差电池(radioisotope thermoelectric generator, RTG)是个不错的替代。标准RTG能生产出300瓦电力,足以移动其本身,还能产生6000瓦余热,足以从4%级别的原料中每天生产56千克的水。这种装置可以让小队人马在野外随身携带,或者作为早期探索任务的附加工具(单次500天地表停留的火星直击任务中,每天生产42[3]千克水,加起来就有多达28000千克水),但它的产量对于发展中的大型火星基地的需求来说太小了。当然,要满足我们的全部需要,可以生产大量这种设备,但这些RTG可不便宜,而且我们还是需要搬运许多周围的泥土、卵石和岩石,以免对设备造成磨损和伤害。这可不能算是种优雅的方式吧?

有个办法可能是让流动车使用微波设备给下面的土壤加热。这会令土壤中的水分蒸发上升。车上携带某种冠状天篷,周围有柔韧的“裙边”刷扫周围地面。这种裙边是有效的密封结构,能保持水蒸气,让它们大部分都冻在天篷的顶上,留作稍后收集使用。这个方案的优点是不需要挖土,另外微波可以调节,所以大多数能量被合理用于加热水分子,而不是浪费在对水和土的无差别加热中。不幸的是,上升的水蒸气也会把热量传递给土壤,所以最终依然有大部分热量被浪费了(但比纯热力加热系统浪费的要少)。然而,问题是微波能量来源必须是电力而不能是热能。RTG产生的6000瓦余热不能用于该系统的驱动,仅能得到相当于300瓦的电力输出。由于热能高出20倍,因此,即使每瓦微波能量从土壤中取水的效率是热力的2倍,我们还是只得到1/10的产能。如果水含量很高,而且地面坚硬难以打碎(永冻层就是这样),这个系统也许比移动挖掘机干得好,但它的产量依然较低。比如,我们假设在沉积有30%水(质量比)的永冻层操作这样的系统,估计提取每千克水需要1kWe-hr的能量。在一个火星日(24.6地球时)中,用300瓦RTG驱动的微波车能提取大约7.4千克的水。想提高性能只能通过提供更多能量,或许能把设备车用长电缆连接到基地的核反应堆,将能量提高到100千瓦电力。这样一来,每天能生产2200千克水,但失去了机动性。

我认为更好的办法是在火星上的选定区域放置透明帐篷,通过温室效应使内部自然升温。在帐篷周围放置大型轻质反射镜可以提高温室升温的效率,根据太阳角度移动它们的位置,可以使封闭区域利用的太阳能最大化。帐篷内,土壤将被加热,当然不可能达到500摄氏度,但能远远高于它的平均温度。这会使土壤吸收的一部分水分开始排出,帐篷一角可以放置一个保持冷冻状态的冰盘,把释放的湿气以霜的形式收集起来,就像你家冰箱起霜的情况。为了计算这个系统的有效性,可以认为火星上太阳能的平均利用率为500瓦每平方米(W/m2)。如果帐篷为一个直径25米的半球,帐篷温室效应加上反射镜的作用,相当于向帐篷中额外加了200瓦每平方米的热量,则系统的总有效能量为98千瓦。这足以让含水4%的土壤每天(8小时)释放300千克的水。帐篷中最浅的半厘米土壤内就应该有这个量的水。如果帐篷用0.1毫米厚的聚乙烯制成,质量将仅有100千克(在火星上相当于38千克),因此火星车队员可以每天都把它带到一个新的位置。随着帐篷的移动,已经开采过的地表土壤会自然地重新补充水分,所以同一区域可以反复取水。

【图2,从火星土壤中提取水的移动方法:(左上)轮上集土器;(中间)带裙边的移动微波系统;(下)带冷凝器的可移动温室帐篷。(绘图:迈克尔?卡罗尔)】

另一个完全不同的方法就是从火星大气中提取水。这里的问题是火星上的空气非常干燥,通常情况下你需要处理100万立方米火星空气才能采集到1千克水。在一篇经典论文中,工程师汤姆?迈耶和火星科学家克里斯?麦凯提出,一种机械压缩系统能够完成这个任务。他们发现,生产每千克水大约需要103千瓦时的电能。将这个结果与上面描述的土壤取水系统比较(耗费的热能大约为每千克3千瓦时),它看起来毫无吸引力。但需要指出的是,压缩系统同时也会从大气中提取大量有用的氩气和氮气,用于基地的生命支持。然而,最近,华盛顿大学的Adam Bruckner、Steven Coons和John Williams进行了一项新研究,摒弃空气压缩,简单地用风扇把沸石吸附床中的空气吹起来。沸石是一种极致的干燥剂,可以在十亿分之几级别的大气环境中降低水气浓度,这比火星湿度还要低。在火星温度下,沸石能吸附自身质量20%的水。一旦沸石饱和了,你可以把水烤出来,所耗能量大约是每千克水2千瓦时热能,而干燥后的沸石还可以再次使用。由于你所要做的仅仅是去除空气而不必压缩,机械风扇的功率远远低于迈耶和麦凯系统的压缩功率,后者处理每千克水可能还需要2千瓦时的额外电能。因此,这里的能源成本完全能与土壤取水系统相媲美。然而,任何火星大气取水系统都会遇到一个主要问题:要达到有用的输出量,系统的尺寸会相当大。比如,如果系统配备的输入管道横截面达到10平方米,风扇进气速度达到100米每秒,每天还是只能生产90千克左右的水。然而,因为这一机器无需挪动,基地仅需提供8千瓦电力能源来运转风扇。考虑到也不需要挖掘或勘探工作,综合起来,系统几乎可以完全自动化。而使用的原料,空气,是无限再生的,最终令这种大气取水系统具有相当的吸引力。

综上所述,也许火星上可用的水还无法支持洛威尔眼中纵横交错的渠道,但对于在火星建立前哨来说无疑是足够了。毫无疑问,从火星干旱的环境中取到的水,将为这个红色星球增加一抹绿色。

红色星球的园艺高手

鉴于星际运输的成本,显而易见,如果有大量人群需要在另一个世界定居,他们最终需要自己种出口粮来。在这方面,火星与月球或所有其他已知地外星体相比,有一个巨大的优势。形成有机体的四大主要元素是氢、碳、氮、氧,它们在火星上都是大量存在的。有人认为小行星可能含有碳物质,并提出一些证据说明近期的月球探测器显示月球南极的永久暗面也有一些冰的沉积。但是,这些讨论都偏离了重点,因为月球和其他无空气星体[如杰拉德?欧尼尔(Gerard O’Neill)的提议]在规划人造自由太空殖民地时遇到的最大问题是,阳光不能有效用于作物种植。这一点至关重要,但还没有被很好地理解。植物生长需要的巨大能量只能来自阳光。比如,地球上一块1平方千米的农田午间得到的阳光照射是1000兆瓦,这相当于美国一个百万人口城市的能源负荷。换个说法,小国萨尔瓦多[4]作物生产用掉的阳光如果转化为能源,超过地球上所有电厂加起来的发电量。与地球常态相比,植物大概可以把它们吸收的阳光减少为原来的1/5并依然正常生长。但问题仍然存在:植物生长所需的能量使我们无法用任何人造光来推广大规模种植。而且,在月球或太空中有自然太阳光的地方进行种植,也没有任何大气屏蔽。(月球的问题更多,因为它的昼夜周期是28天一循环,对植物来说完全不可能接受。)因此,如果植物在月球或小行星上仅仅靠一层薄薄的温室生活,会被太阳耀斑杀死的。为了在这样的环境中让植物安全生长,温室壁需要是10厘米厚的玻璃,这种施工要求会令发展农业区域的费用大大提高。使用反射镜和其他导光设备也不能解决问题,因为反射区域必须非常大,至少和作物面积一样大,这在大片面积需要照明的时候是非常荒谬的工程问题。

另一方面,火星的大气密度足以保护作物在地表生存免受太阳耀斑的伤害。在火星上,正如我们所见,可以使用网格状拱顶保护下的大片充气温室,这能迅速营造大片适合作物生长的温暖环境。火星的日照水平是地球的43%,完全能满足光合作用的需要,而且还可以向圆顶中充入比地球浓度高的二氧化碳来令光合作用加速。我们已经知道,1毫米厚的凯夫拉尔强化圆顶纤维可以用于支持直径50米的居住舱,令它内部压强达到5 psi。然而,植物只需要0.7 psi,或者由20毫巴的氮气、20毫巴的氧气、6毫巴的水蒸气和低于1毫巴的二氧化碳组成的大气产生的50毫巴大气压强。仅厚0.2毫米的纤维便足以让50米的圆顶成为温室。这样的圆顶大约能提供2000平方米的农田,而纤维质量大约1吨,另加4吨的树脂玻璃。(树脂玻璃制成的网格状拱顶屏蔽罩不需要是传统的半球,而可以仅是半球的一半,像圆顶顶部的透镜。透镜的形状模仿上半球面,这会令屏蔽罩的制作更容易,因为所需要制作的高度降低了。这也能大幅削减植物用于向圆顶大气中充氧的时间。)然而,0.7 psi对植物来说够用,对人来说却是不够用的,圆顶内部如此之低的气压会要求在内部工作的人穿戴宇航服。如果将圆顶内部的气压升高到2.5 psi,宇航服就不需要了。然而,除非基地的农田严重短缺,否则还是把温室圆顶的气压也升高到与居住圆顶一样的5 psi更有意义。这样我们就可以建造隧道,令人们可以身着便服在两种圆顶之间自由穿行,而不需要进行加压/减压操作。另外,同样的建筑结构能让大规模生产更简便,也能让人们在面临人口增加的压力时能搬进温室圆顶。两种圆顶的主要不同是二氧化碳分压。在居住圆顶中,二氧化碳分压被限制为地球水平,也就是大约0.4毫巴。但温室中使用的是火星环境中的7毫巴,要比地球高得多,这能大大增加作物的产量。(作物在地球上时,二氧化碳是不足的。)正如我们所知,有多种可能的技术可以为温室提供充足的水。因此,种植的基本先决条件——阳光充足的灌溉土地——是可以在火星上实现的。

火星是块肥沃的土地吗?不太好说。但根据我们已知的基础,火星土壤似乎是作物生长的优良介质,事实上比地球上的大部分土地好得多。在【表1】中,我们列出了地球和火星土壤中植物营养元素的比较。火星土壤的数据是根据海盗号的结果和SNC陨石的分析完成的。

【表1】

查看【表1】,我们可以发现,火星土壤中的大部分植物土壤营养比地球更丰富。最大的问题是氮,由于其设计的限制,海盗号上用于分析土壤元素组成的X射线荧光光谱仪无法对氮进行评估。不过,氮在火星大气层中是已知存在的,如果土壤中硝酸盐贫瘠,氨和其他硝酸盐化肥也是可以合成的。事实上,用于生产甲烷燃料的萨巴蒂尔反应器也可以用来产生氨,只要将氮和氢作为原料。这种反应器在地球上是化肥生产的主要来源。然而,根据我们目前对行星形成的了解,从起源上来说,火星氮的比例应该与地球相同,而且大部分应该依然存在,无疑还以硝酸盐成分固定在土壤里。火星上应该能探测到天然硝酸盐床,开采后只需以货车装卸就能为基地提供肥料。另一种在典型火星土壤中较为贫瘠的植物营养元素为钾。这种元素大概以高浓度存在于火星古老水体干涸岸边沉积的盐床中。

火星土壤的物理性质似乎非常适宜植物生长,分布在全球各地的土壤层呈现松散和多孔的性质,很容易通过机械方法使其支持植物生长。如前所述,火星土壤中已知含有蒙脱石黏土。这对未来的火星农民来说是个好消息,因为蒙脱石能够非常有效地缓冲和稳定土壤pH,使其保持在微酸性范围内,它们的高交换性质也确保土壤中储存了大量可交换营养离子。

如前所述,火星温室将加压至5 psi(340毫巴),或者说接近地球海平面气压的1/3。因为火星的引力是地球的1/3,维持这个空气密度也使昆虫能够飞行,促进蜜蜂授粉。最初,圆顶将仅以火星空气加压(95%的二氧化碳),加入几个毫巴的人造氧气,使植物可以进行呼吸作用。因此,火星植物将在富含大量二氧化碳的温室环境中成长,光合作用的效率会相应增加。地球是一个缺乏二氧化碳的环境,植物将阳光转化为化学键能量的效率约为1%。(森林或野生草原的净生态效率低得多,也许只有0.1%,因为允许死亡植物分解。植物本身的效率要高得多;而在农业园区,我们对植物的利用要更充分,在它们被细菌分解之前就把它们收获了。)在二氧化碳富集的环境中,光合作用的效率可以乐观估计为3%。假设直径50米的圆顶是一个真正的半球,地面种植的植物以这种效率需要花费310天将所有封闭的二氧化碳转化成氧气。如果使用透镜形状的上层拱顶(曲率半径为50米,而不是25米),则仅需8天。海盗号在火星土壤中已经检测到的氧化剂是没有问题的,它接触到水之后就能分解为还原性的物质,释放出游离氧。温暖的温室也将是一个潮湿的环境,其中的水气循环将迅速令温室中的土壤释放出氧气。

我们一定都听到过素食者提出的观点:大家都应该放弃吃肉,因为一亩玉米比一亩牛羊草料向人类提供的食物更多。这些观点在地球上是存疑的,因为我们这个星球上的饥馑并不是由于全球性的粮食短缺造成的,而是由于分配不均,捱饿的人没钱去买食物。然而在火星上,人们无法简单地从环境中找到可耕种的土地,而要用圆顶等结构把耕地制造出来,素食者的理论就出现了价值。有一个强烈的动机使火星农业必须提高效率。要把牛、绵羊、山羊、兔子、鸡和其他恒温动物都大量纳入食物链,是一件非常没效率的事情。植物生产的能量大多数被吃掉它的动物用来保持自己的体温了,只有很少一部分会被你摄取。(几年前有些科学作者写了些书,推广山羊作为未来太空畜牧业的关键动物。它们大小适中,杂食性,繁殖快,能产奶,还有许多其他优点。这可能是真的。我是在城市里出生的,但最近大部分时间生活在农村地区,我见过山羊的益处。但别让它们接近我们的凯夫拉尔拱顶,它们什么都吃。)另一方面,几乎任何有收益的农业植物都有至少一半从来没被人类食用过。以玉米、水稻和小麦为例,我们不吃它们的根、茎、叶,相反,我们把这些部位犁回土壤,自我安慰地认为它们会令土壤更肥沃。但如果那是我们的真实目的,我们应该把整株作物都犁回土壤里。实际上我们只是在浪费能源。所以,如果我们想提高效率,我们需要找到一种方法,好好利用植物不能直接食用的部分。现在是引入山羊的时机吗?也许可以先来一些,逗逗孩子们,令基地的安全巡逻工作保持繁忙,因为在火星的轻重力下,山羊能跳过3米高的篱笆。也许还有更好的方法,其中一种是使用蘑菇。美国普渡大学由NASA资助的太空农业研究中心已经分离出一种蘑菇菌株,可以在植物的废弃物部分上生长,并把70%的物质转化为可食用的蛋白质,质量高得堪比大豆(大豆可比山羊好得多)。这种快速生长的蘑菇不需要阳光,只需要一个黑暗、温暖的空间,废弃的玉米秸秆,和一点点氧气。换言之,你可以在壁橱里建一个蘑菇牧场。顺便说一句,这是应太空极端要求而发展出来的技术的一个例子,其在地球上可以实现大量应用来满足人类的基本要求。但是,如果吃蘑菇和大豆会让你觉得乏味,我们还有希望。冷血的食草动物,如罗非鱼,也能合理有效地将废弃的植物材料转化成优质蛋白质。火星上的鱼池?为什么不呢?你不需要一个非常大的罗非鱼池,而且它们也不会逃跑或吃你的圆顶。

最好还有能生产水果的果园。因此,最终还将有树木。木材还可以用来制作家具等。另外,它还能与农业中产生的其他纤维素废料一起,被送入塑料制造业,这会令可生产的塑料种类大大增加。

火星冶金

对任何技术文明来说,金属制造能力都是基础。火星向我们提供了丰富的资源用于生产金属。事实上,在这方面,火星比地球富饶得多。

目前火星上最容易得到的工业金属是铁。地球上的主要商用铁矿石是赤铁矿(Fe2O3)。这种材料在火星上无处不在,造就了这个“红色”星球,并间接令它得名。将赤铁矿还原为铁是个简单的过程,在《旧约》和《荷马史诗》中均有记载,这在地球上已经进行了三千余年。有至少两种工序适合在火星上使用。一种方法本章前面已讨论过,使用基地RWGS反应(1)H2+ CO2 →H2O + CO  废弃的一氧化碳:

Fe2O3+ 3CO → 2Fe + 3CO2 ——(2)

另一种办法是使用电解水产生的氢气:

Fe2O3+ 3H2 → 2Fe + 3H2O ——(3)

反应(2)是轻微放热反应,反应(3)则轻度吸热。所以加热反应堆到启动条件后,就不需要多大的能量来运行了。在反应(3)中,电解废水可以得到所需的氢气,所以唯一需要的给料是赤铁矿。而碳、锰、磷、硅,这四种制造钢材最主要的合金元素,在火星上也是很常见的。其他合金元素,如铬、镍、钒,也有可观的存量。因此,一旦生产出铁,它可以很容易地与适量的其他元素一起生产合金,得到所需要的几乎任何种类的碳钢或不锈钢。

【图3,建立火星基地。(绘图:罗伯特?默里,火星学会)】

在火星基地,一氧化碳作为RWGS反应堆的废弃物广泛存在,开辟了火星上低温金属铸造新技术的可能性。例如,一氧化碳在110摄氏度可以和铁相结合生成羰基铁(Fe(CO)5),它在室温下是液体。把羰基铁倒入模具,加热到200摄氏度,它就会分解。模具中会留下纯度很高的纯铁,释放的一氧化碳能重复使用。也可以分解羰基化合物蒸气将铁分层沉积,这样就能做出任何想要的复杂形状的空心物体。类似的羰基化合物也可以用一氧化碳和镍、铬、锇、铱、钌、铼、钴、钨生成。这些羰基化合物会在略为不同的条件下分解,这就使金属羰基化合物的混合物能通过连贯的分解分离出纯组分,一次一种。

在地球上,除了钢之外最重要的通用金属就是铝。铝在火星上是相当常见的,占火星地表物质质量的4%。不幸的是,和地球上一样,火星上的铝一般只以非常稳定的氧化物(Al2O3)形式存在。在地球上,用氧化铝生产铝时,是在1000摄氏度的熔融冰晶石中熔解氧化铝,然后用碳电极将其电解,电极会耗尽,冰晶石无损保留。如第6章所述,在火星上,可以热解基地萨巴蒂尔反应器中产生的甲烷来得到碳电极。上述过程可以写成:

Al2O3+ 3C → 2Al + 3CO ——(4)

反应(4)不但复杂,而且有一个重要问题就是,这个过程很吸热。生产1千克铝需要大约20千瓦时的电力。所以地球上铝的生产厂都位于电力非常便宜的地方,如西北太平洋。在火星基地的建设阶段,能量可便宜不了。以每千克的效率来说,100千瓦电力的核反应堆每天只能产生约123千克铝。因此,我们将主要用钢而不是铝来建造高强度结构。但由于低重力,火星上的钢和地球上的铝质量基本一样!但因为铝的高导电性和轻质,它将用于一些特殊的地方,如电线或飞行系统组件。

现代生活中,硅渐渐成为可能是除了铁和铝之外第三重要的金属,因为它是制造所有电子产品的核心。它在火星上将更为重要,因为生产出硅之后,我们才能够生产太阳能光电池板,为基地持续提供越来越多的电力供应。作为硅生产的原料,二氧化硅(SiO2)占火星地壳质量的近45%。为了生产硅,需要混合二氧化硅和碳,然后在电熔炉中一起加热。最后的反应是:

SiO2+ 2C → Si + 2CO ——(5)

我们又一次看到,所需要的还原剂——碳是火星基地推进剂生产系统的副产物。反应(5)是高吸热反应,不过远不及氧化铝还原反应(4)。还原硅所需的能源负荷也少得多,因为需要的产量也少。

反应(5)得到的硅产品用于某些途径已经品质够好了。比如,你可以用它来制造碳化硅,这是一种强大的隔热物质(用于保护航天飞机再进入大气层时的隔热瓷砖)。然而,显而易见的是,反应器给料中的赤铁矿杂质也会被还原,导致硅产物中存在铁杂质。要生产超纯硅,用于电脑芯片和太阳能电池板,需要多一个步骤。在热氢气中将不纯的硅产物过浴,使硅转化为硅烷(SiH4)。在室温以上,硅烷是气体,所以它可以很容易地从其他金属氢化物中分离出来,因为它们都是固体。如果想要彻底的纯硅,你需要将硅烷导入另一反应器,在高温下将它分解,产生纯硅,释放出的氢气可以用于生产更多的硅烷。然后可以将硅与磷或其他特定杂质掺杂,生产我们所需要的半导体器件。

另一个做法不需要分解硅烷,你可以将它冷冻到-112摄氏度,使之液化。这只比火星典型夜间温度再低20摄氏度,所以很容易达到,所得到的液体可以在储存罐中毫无困难地长期隔绝存放。为什么要储存液态硅烷?因为硅烷能在二氧化碳中燃烧。迄今为止我们讨论的所有火星推进剂组合(如甲烷/氧气)都需要飞船舱内同时携带燃料和氧化剂才能使用。我们在地球上并不需要这么做。地球上,不管是你的车燃烧汽油还是你家壁炉燃烧木头,你需要提供的都只是燃料,氧化剂来自空气中的氧气。由于氧化剂一般占反应混合物的75%,地球上的做法无疑效率更高。然而,火星大气中游离氧气非常少,几乎全是二氧化碳。能在二氧化碳中燃烧的物质寥寥无几,硅烷正好是其中之一,它遵循以下反应式:

SiH4+ 2CO2 → SiO2+ 2C + 2H2O ——(6)

在反应(6)中,73%的推进剂为二氧化碳,只有27%是硅烷。部分产物是固体,所以不能在内燃机中使用该系统。但你可以用它来燃烧蒸汽锅炉,或者将它用于冲压发动机或火箭推进。根据反应(6),硅烷/二氧化碳火箭发动机可以产生约280秒的比冲量。从表面上看,这数字丝毫无奇,是到要意识到,你只需要随身携带27%的推进剂。想想需要反复起飞降落的小型火箭加料飞船,它们需要穿越多个无法通行的区域,将遥控机器人带去一系列选定位点。它不需要携带所有的推进剂,相反,它只需要通过一个泵在每次降落的时候重新灌注二氧化碳。结果,这一系统的有效比冲量不是280秒,而是280秒乘以总推进剂与硅烷的比例,即3.75。结果是,有效比冲量为1050秒,这在化学方法驱动的火箭中简直闻所未闻。

乙硼烷,B2H6,也能在二氧化碳中燃烧,比冲量为300秒,混合比例为3份二氧化碳1份乙硼烷。37乙硼烷/二氧化碳火箭加料器可以得到1200秒的有效比冲量,比上面说的硅烷/二氧化碳系统更好。然而,硼在火星上较罕见,而硅则到处都是,而且生产硼的过程比较复杂。在任务早期,可以将少量乙硼烷运往火星,得到高性能的给料器应用(有时最好能使用乙硼烷/二氧化碳系统,比如进行机器人火星取样返回任务时),一旦基地有了生产硅的能力,这种当地普遍存在的物质几乎肯定能全面替代乙硼烷。顺便说一句,经常有人提出,可以在月球上生产硅,用来支持大量太阳能电池板的生产制造。这种想法存在严重缺陷。的确,二氧化硅在月球上要多少有多少,但那里却没有用来把它转化成金属硅所必需的碳和氢。根据上面描述的过程,这些物质是可循环的,但在现实中,这种循环必然是不完善的。如果你要在月球上生产金属硅或任何其他金属,必须运输大量碳和氢过去,而这两种元素在火星当地就有。

在火星基地生产的最后一种重要工业金属,我们考虑是铜。铜在月球上是没有的,但在SNC陨石中能检测到,浓度与地球土壤中差不多。这个含量挺低的,差不多是百万分之五十。如果想得到足够量的铜,不能从土壤中提取。相反,必须在大自然中寻找其已经浓缩成铜矿的地方。从商业上来说,地球铜矿最重要的来源是硫化铜。正如我们已知的,硫在火星上比在地球上更普遍,所以火星上很有可能存在铜矿沉积,可能是以硫化铜的形式沉积在火山岩浆中。一旦找到铜矿,就很容易通过熔炼或沥滤将其还原,地球上自古以来正是这样做的。

关于铜的事实直击核心,一般情况下,要得到地球化学中的罕见元素,唯一的方法就是开采局部高浓度矿脉。然而,只有发生过复杂水文火山过程的地方才能将这些元素聚集为矿物沉积,而在我们的太阳系中,只有地球和火星曾经发生过这些过程。因为火星上曾经发生过这些事,我们应该可以找到几乎所有必需金属的聚集矿,无论罕见或常见,它们足以用来建设现代文明。

能源问题

显而易见,大量的热能和电力是建立大型火星基地生产流程的关键。这么说可能不太中听,但目前来讲,在基地发展的早期几年里,提供能源的最好方法是引入地球生产的核反应堆。在今日的地球,人类文明最主要的能源来自水力发电、化石燃料和木材燃烧,以及核动力。地热提供了遥不可及的第四种能源,远远排在后面的是太阳能和风能,它们的角色都非常次要。在火星上,靠水坝和化石燃料提供能量都是不可能的。从长远来看,在火星上生产热核聚变能量的前景很完美,因为火星上重氢(氘,氢的重同位素,用于核聚变反应堆的燃料)与普通氢的比例是地球上的5倍。不幸的是,聚变反应堆目前并不存在。因此,作为大型能量的初始来源,核动力是唯一的选择。如果一个核反应堆能工作10年,一天24小时能持续产生100千瓦电量和2000千瓦“废热”,那么这个反应堆大约重4000千克,即4吨,其质量之轻足以从地球运到火星。相比之下,同样昼夜电力输出功率(但热力输出为1/20)、同样使用寿命的太阳能电池阵列,质量将达到27000千克,面积为6600平方米(相当于一个足球场的2/3)。如果你想达到同样的热力输出(用于砖块制造和水处理),所需的太阳能电池阵列将重达540000千克,足以覆盖13个足球场。要从地球运输这些物质过去,显然太多了。核动力对于开发火星优势巨大——其重要性使美国政府因至今仍未通过对太空核动力研究和发展计划的资金支持而得到最强烈的谴责。如果我们放弃太空核动力,我们也放弃了这一整个世界。

虽然最初的基地能源供应需要来自核动力,但一旦基地建立好了,平衡会发生改变。应该会有一天,在火星上能够利用当地物质建造太阳能系统。如果你生活在火星上,顺手获得数百吨当地材料,可能比从地球上运输4吨设备还容易得多。

利用风吹日晒

有两种太阳能发电系统可以在火星上制造:动力系统和光电系统。太阳能动力系统技术门槛不高:用抛物面反射镜将太阳光聚集在一个锅炉上,使液体被加热并膨胀,启动一台涡轮发电机。这些系统效率还不错(约25%),但如今它们还没有得到太空计划的青睐,因为它们依赖活动的部件,而人们常常觉得这不可靠。然而,如果要在火星基地永久工作,就需要人们在场维护系统并调整失灵的设备,因此关于动力系统可靠性的争论在火星环境下不太有力。另外,由于它们只是镜子、锅炉及类似设备的组装,技术含量较低,比较容易看出在火星上如何制造此类系统。比如,镜子可以用可充气塑料制造,表面覆盖薄层铝就可以获得反射性。管道、锅炉、涡轮轴和刀片都可以是钢制的。为了确实得到25%的效率,对于所制造的涡轮偏差要求非常高,这在火星基地上不太现实,但这不会成为阻碍。如果需要的话,也可以接受略微放宽要求的偏差和15%的效率。除了这些优点,动力循环还有一个颇吸引人的优势,就是能产生大量有用的处理热,也许能达到它们电力输出的4~6倍。

然而,太阳能动力循环系统需要晴朗的天空。为了抛物面反射镜能有效地聚焦光线,光线必须都来自同一个地方,也就是直接来自太阳。它不能取自整个火星天空的散射光。根据海盗号得到的数据,有效的太阳能动力系统所需要的晴朗天空只能在北半球的春夏季节得到。在另外半年,太阳能动力收集器只能输出非常少的能量。这种能量的季节性差异针对某些目的而言还是可以接受的。比如,并不需要整年都冶炼钢铁。但如果太阳能是基地能量的主要来源,那无疑需要更可靠的技术。

太阳能光电池板也许就是这种“更可靠”的技术。正如我们已知的,制造这种面板所需要的关键材料,纯金属硅,可以在火星上制造;还有制造电线需要的铝或铜、使电线绝缘所需要的塑料,也一样可以制造出来。为了降低费用,最近地球上刚刚研发并使用了一种制造太阳能电池板大型单叶的简化方法,只要把这种方法运用到火星,光电系统的大量本地化生产就是可行的。多少会有些令人吃惊,但事实证明,火星大气充满灰尘时,火星上光电池板的性能仅仅是稍有打折。除非是在非常恶劣的尘暴中,否则,以典型的北半球秋冬季天空中的灰尘水平而言,其尽管会散射大部分的阳光,但并没造成多少阻断。太阳能光电池板与太阳能动力反射镜不同,它与入射光的方向无关。所以它们在火星上整年的工作表现都不错。效率并不高,只有12%左右,而且在电力输出过程中得不到处理热,但,这就是生活。沉积在光电池板上的灰尘可能会显著影响面板的表现。不过宇航员用扫帚把它们清扫掉就可以了,或者在上面装一个挡风玻璃雨刮器型的设备就好了。

作为基地能源的进一步补充,风能也是一种可能性。风车已经在地球上运行了几个世纪,它们的技术含量也不高,在火星基地制造出来的潜力很大。的确,火星上巨大的尘暴是间歇性的,因此它几乎无法作为一个真正的能量来源。另外,火星上的空气厚度只有地球的1%,海盗号测量的地表风速也只有5米每秒(10mph),这意味着风能几乎可以忽略不计。然而,在远远高出地表的高度,典型风速是30米每秒(60 mph),它能使单位风叶面积产生相当于地球上6米每秒(12 mph)微风的能量。这对于风力发电来说相当不错了。风车实用性的关键取决于它应该安装在离地面多高的地方,才能高于静止面边界层。目前来说,这还是未知的,而且答案一定根据当地情况有所变化。无论最后得到的高度是多少,需要牢记的是,在火星上我们是在38%的重力场中竖立风车,实际建造的风车在“他们地球人”看来会高得古怪。

地热发电

自1930年以来,冰岛农村地区的寄宿制小学和中学都尽可能选址在有可用地热能(geothermal energy)的地方。在这些热力中心,学校为学生和工作人员准备的教室和宿舍都是利用地热加热的。他们甚至还配备了游泳池,并在自己的温室种植蔬菜自给自足(西红柿、黄瓜、花椰菜等)。这个国家现在有很多这样的学校,暑假的时候还可以作为游客的旅馆。这些中心已经形成农村地区新的服务型社区中心。

—— S.S. 艾纳森,《地热区域供热》,1973(S.S. Einarson,Geothermal District Heating )

当地生产的太阳能和风能设备,都可能产生几十或几百千瓦的电力。它们很吸引人,因为它们几乎在任何地方都可以部署设置,使能量可以分散产生。这在火星上是很有用的,因为会有散在区域需要提供这样的能量,而相当一段时间里又不会有长距离传输能量的基础设施。然而,这些能源体系的输出功率相对较小,又使我们需要寻找更有力的选项。正如英国科学家马丁?福格(Martyn Fogg)指出的,火星上这一选项可能是地热。

地热发电的过程,是利用地下深处的高热煮沸液体(如水),然后用产生的蒸气启动涡轮发电机。在地球上,地热发电是排在燃烧电、水电和核电之后的第四大能源,提供约11000兆瓦能量,占人类所有电力用量的0.1%。冰岛这个国家的大多数能量(超过500兆瓦)都来自地热。地球上单一地热井的典型发电量为1~10兆瓦电力,与地面发电站标准相形见绌,但相对火星基地的要求而言已经够大了。在地球上,这个规模的地热电站从开始钻井到完工使用只需要6个月,97%的时间都在使用中,这个纪录只有水力发电可以超越。另外,除了提供大量能量,火星基地的地热站还能提供另一个非常宝贵的资源,即丰富的液态水供应。地球上的地热站有一个缺点:必须建立在有地热资源的地方,无论地球的奇思妙想选择了什么位置;而由于我们已经选择了城市的所在地,于是问题常常随即产生。而在火星上,城市还没有建立起来。考虑到地热能源/水供应的价值,一旦找到这样的地方,应该也能由此决定火星基地的位置。

简而言之,地热能源供应对火星居民来说有巨大的益处。

问题是,它们存在吗?也许有点让人吃惊,答案几乎是百分百肯定的。

火星上存在大范围的火山样地形特征,比如在估计不到2亿岁的塔尔西斯。火星大约4%(约500万平方千米,大多数在依利森、阿卡狄亚和亚马逊的北部区域,以及赤道附近的塔尔西斯区域)的地面被火星地质学家归类为“上亚马逊”,意思是这里的地表在过去5亿年中曾经被火山爆发或洪水重新覆盖过。尽管2亿~5亿年看起来是远古历史了,但考虑到火星40亿年的岁月,它们几乎可以被称作“当代”。根据地质学家对火星的观点,2亿年前都还算是“今天”。如果那时有火山活动,那么它们现在可能依然是活动的。

另外,正如我们已知的,火星拥有大量水资源,起码在某些地方,地面以下1千米处可能存在液态水位。如果某个区域在不久的过去有活跃的地热,这些水的热度可能还足以代表可用的能源。

如果只把上亚马逊地区作为可用的选项,将其在5亿年中的形成过程展开,我们会发现其中10%(即50万平方千米)不到5000万岁,1%(即5万平方千米)不到500万岁,0.1%(即5000平方千米)在近50万年内还是活跃的。

并不需要从火山还在活动的地区提取地热能量。在火山活动平息后很长时间里,土地都还会是热的。在福格关于火星地热发电的开创性论文中,他提出了一个计算公式,是火星地表温度分布相对该地区活跃时间的函数。【表2】总结了他的成果。

【表2】

作为参考,目前地球上的钻探技术水平是可以钻至地下10千米处。在火星上要钻得更深可能更容易些,因为低重力对土壤的压缩不是那么得力。可以看出,与过去500万年内的地热活动相关的土地面积就很大了,而在这些区域,挖掘几千米深的井就足以得到很热的水。一旦被引到地面,水流会以蒸气的形式喷发,用于带动涡轮发电。这个系统在火星上的工作效率也许比在地球上还好,因为火星上的低气压会令蒸气在被凝结之前扩散得更好。这个过程产生的一部分废水会被引入基地,为基地提供充足的水。剩下的部分会被引回到井里,重新填充蓄水层。

月球上不能利用地热发电,小行星上也不能。在太阳系的所有地外星体中,只有火星才有产生如此丰富能源的可能,以支持人类定居。

我们可以使用地热发电承担主要基地负载,同时在外围安装太阳能和风能设备。这说明,一旦由核反应堆提供了良好的开端,火星基地便掌握了一系列适用的当地资源利用技术,可以依靠自身的努力,持续扩展自身的能量供应。基地掌握的能量越多,便成长得越快;它成长得越快,将掌握的能量也就越多。一旦火星上可以产生太阳能、风能,尤其是地热能,基地的成长速度便将达到指数级。

用基地支持火星地表的远程移动

当基地的一切发展欣欣向荣时,我们对火星这个球体的勘探是要停止了吗?恰恰相反。无论基地的选址有多好,它所需要的某些基础资源还是必然会在距离该位点数十、数百甚至数千千米处。进行全球勘探,将这些资源运输到基地,是基地发展的基本必需能力。这是一种共生关系,基地本身需要开发这种能力,以便远程移动。

这种情况有点儿类似于人类探索南极的发展。在1957年国际地球物理年之前,南极探险是通过一系列突击行动进行的,每一个探索队都用自己的船作为基地。然而从那一年开始,大家作了一个决定,在麦克默多海峡建立了一个大型永久性工作基地。如今,这个基地能提供各种设施,包括机械化车辆、直升机、飞机,支持南极科考队员去往这块大陆的每一个角落。通过将资源集中在关键点上,人们创建了一种能力,带来了比以往任何时候都更广泛深入的勘探,这是个人勘探船用狗拉雪橇和滑雪板这样的传统方法不可能完成的任务。

火星上的地形甚至比南极洲还艰难。为了在火星上进行远程移动,可能需要飞行能力。气球,或许还有亚音速飞机,可以用于搭载小机器人包裹飞越多风的火星天空。但唯一值得信赖的载人运输系统,将是在任何天气中都可以使用的火箭动力工具。它可以是单纯的弹道火箭,从火星一边穿过大气层到达另一边;也可以是能够进行超音速飞行的有翼喷气式飞机。两种系统都需要大量推进剂,而只有在火星上先大量生产推进剂才能想象去进行这些活动。

比如,假设使用载人火星弹道式给料系统,质量10吨,动力来自甲烷/氧气火箭发动机,比冲量为380秒。我们想进行2600千米的飞行(沿着火星纬度或经度走45度),着陆,然后不需要增加负荷就返回。为了完成这一任务,该飞船的质量比需要为7,因此总的推进剂为60吨。如果我们使用15吨的喷气式飞机(机翼会增加飞机的质量),超音速滑行升阻比(L/D)[5]为4,质量比约为5,所以也需要60吨的推进剂。很显然,如果这些飞行器需要的甲烷/氧气推进剂或氢气给料需要从地球运过去,那么它们在火星上飞不了几次。

如果需要随身携带探索任务的去程和返程所需的全部推进剂,则火星上化学推进火箭的最大射程就被限制在了4000千米以内。而如果飞行器能在着陆后自行制造推进剂,这一限制当然就被打破了。化学双组元推进剂是做不到这一点的,因为它们的生产过程涉及了太多能量(每千克约5千瓦时),因此需要很高的能量供应来完成这一移动飞行系统。然而,在20世纪80年代末,我有了一个被我称作“NIMF”(使用火星当地燃料的核动力火箭)的飞行器概念,可以克服这个问题。有了NIMF,可以将火星空气中的二氧化碳作为推进剂的原料,用所装载的热核火箭(NTR)发动机加热后,就可以产生热的火箭燃气。由于NTR不需要将热力转换成电能,核动力反应堆中所有的能量转化设备都可以去除,使整个系统体积小而质量轻。由于推进剂原料只是简单的二氧化碳,从大气中直接压缩就可以得到,能耗非常低(小于0.3kWe-hrs/kg),所以也不需要搭载多少电力能源,同时所有的化学合成设备也可以去除。热的二氧化碳不是什么高级火箭推进剂,你只能指望260秒左右的比冲量。但是,开拓者需要的正是能啃食山间灌木的骡子,荒山野地里并不需要只能享用美味草料的紧张赛马。基本上,NIMF相当于第6章里讨论的气斗机的一个更为强大有效的进化版,是非常理想的勘探飞行器,因为它找到什么吃什么,用周遭现成的原料就能飞行。采用这种推进系统的火箭飞行器将令火星探测者们具有飞遍全球的能力。当他们在火星上跳来跳去的时候,飞船每次落地就能给自己重新填装燃料。NIMF弹道式给料机和喷气式飞机的示意图见插页。

NIMF的优点是操作模式多种多样。虽然比冲量比较低,但NIMF不需要携带返程推进剂,所以用它就可以走遍全球,即使最好的化学推进剂也望尘莫及。NIMF的另一个好处是,因为它自己生产推进剂,所以对基地能源系统的压力也远远小于化学系统。文前阐述过,化学火箭系统需要60吨甲烷/氧气,它们的生产过程需要令基地安装的100千瓦电力反应器工作123天。而NIMF对基地能源一无所求,也不需要占用基地的氢气或水供应。它对基地唯一的要求就是人员、保养和维修。在火星上使用NIMF的另一好处是它在全球地对地快速运输大量货物的独有能力。如果你需要20吨的硫化铜矿石,一架40吨载重的NIMF可以立刻飞到火星的另一面去帮你取回来。没有其他任何系统能有如此出色的表现。

你可能还记得,在第3章中,在火星直击任务蓝图发展之前的一段时期,我提议,火星载人架构应该以单次重型发射、用于进入火星转移轨道的NTR推进剂为基础,并使用NIMF在火星上跳跃并返回。后来我为了火星直击任务放弃了这个观点,因为我渐渐明白,NTR和NIMF所需要的技术对于初次火星探测任务来说太高深了。可能完成的任务是非常有吸引力的,但发展所需的时间很长,可能会因为方案可行性的问题而导致首次任务的延期。也就是说,NIMF技术为支持火星基地的发展提供了一系列非常有潜力的可能性,这一点依然是成立的。考虑到火星计划是不断发展的,花费些力气将NIMF飞行器纳入计划中是个明智的决定。在进入基地建设阶段几年后,它们就将整装待发,而基地与全火星能源之间的道路也就四通八达了。

开始殖民

第一批到达火星的宇航员们将在红色星球上待18个月,等待返程的首个最佳发射窗。但是,随着基地的发展和生活条件的改善,未来的一些宇航员可以选择在一年半任务的基础上延长他们在火星地表停留的时间,在火星待上4年、6年,甚至更久。基地的赞助者们也许会给这些人很好的物质奖赏。毕竟,基地的大部分开销都花在了把人们运来送去的成本上。基地运作的时间越长,就会有越多刺激因素让人们发展新形式的星际间运输,进一步降低物流成本。我们会看到,政府会这么做,或者也会向个体竞争者开放从地球到火星基地的货物运输,反正总会实现的。去往火星会越来越便宜,等人们去那儿定居了还会更便宜。随着越来越多的人去到火星并长期停留,基地的人口将达到城镇水平,并最终形成真正的城镇。

火星殖民开始了。

参考资料

[1] Horace Greeley,1811~1872,著名的记者和政治家,主办美国南北战争时期最有影响力的报纸《纽约论坛报》。

[2] 1989年NASA发射的木星探测器。

[3] 疑为作者笔误,应为56。

[4] 中美洲面积最小的国家。

[5]升阻比是指飞行器在同一迎角下升力与阻力的比值。飞行器的升阻比越大,其空气动力性能越好。

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