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火星改造試驗
2020年01月23日 11:26 來源:光明日報 作者: 字號

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  作者:羅賓·沃茲沃思(Robin Wordsworth)

  在行星科學領域,有一個近乎公開的秘密:大部分人最初加入這個領域,是受到了金·斯坦利·羅賓遜(KimStanley Robinson)在20世紀90年代的著作《火星三部曲》的激勵。這本書描述了從殖民火星到最終將火星“地球化”等故事情節,在研究火星的學者中頗具影響力。

  但在2019年,當我重新閱讀這套科幻小說時,注意到通過全新的硅氣凝膠系統,我們或許可能移居到火星。

  書中一些設想的情節仍然遙不可及。把第一個人送上火星,尚且需要漫長的努力,那就更不用說把火星改造成人類的居住地了。許多嚴謹的科學方案試圖將火星改造為類似地球的星球,但是這些方案都要求巨大的工業生產能力,而且還不切實際地設想火星上存在足夠的二氧化碳。幾年前,當我們開始考慮這個問題時,決定采取完全不同的思路。在研究火星的歷史氣候時,我們很快發現火星在歷史上是一個間歇性宜居的星球。它與地球并不相似,是一個獨特且完全不同的星球。所以,當我們思考如何讓火星成為人類未來的宜居地時,應該更多地從火星上獲取靈感。

  火星上存在一種特別有趣的自然現象,被稱作“固態溫室效應”(solid-state greenhouse effect),即每當火星進入夏季,其兩極冰冠下的冰層都會被急劇地加熱。這一現象出現在當可見光傳播到冰冠下絕熱物質的內部時,由于能量被束縛,會產生急劇的加熱效應。

  受這一現象和幾年前我給學習行星氣候的研究生布置的一個問題的啟發,我們開始研究在火星表面覆蓋一層薄薄的透明固體材料,到底可以讓火星產生多少熱量。在試驗中,我們使用了硅氣凝膠,這種特別的材料兼具極好的絕熱性和低密度性(超過97%的成分為空氣),且對可見光近乎透明,這些特點使得它成為創建固態溫室效應的理想材料。

  美國航空航天局(NASA)已經將硅氣凝膠用于火星探測器內部的隔熱和其他項目。通過綜合了實驗數據、模型和第一性原理理論,我們發現僅需2到3厘米厚的氣凝膠材料布置在火星表面或不太高的地方,就可以隔絕大部分有害的紫外線并使得火星表面維持足夠藻類或蔬菜生長的溫度。相比以前的方案,我們的方案從一個局部的區域逐漸展開,更有可能將火星改造成宜居地。

  那下一步需要做些什么?雖然這個方案的基礎物理部分已經十分完整,但是在如何利用這種方案建造一個真實的火星居住地,依舊有很多工作需要完成。首先硅氣凝膠非常脆弱,要作為堅固的外部防護并且能控制內部的壓力,它還需要改進,比如與其他材料混合。還有一個問題是,如何給火星上提供足夠的硅氣凝膠。由于硅氣凝膠足夠輕,因此可以從地球向火星運輸,但是最好的方式還是能在火星上生產硅氣凝膠。

  硅氣凝膠的一個標準制造方案包括一個高壓的二氧化碳干燥流程,這些二氧化碳可以從火星大氣中獲取。值得注意的是,地球上的一些生命體(如玻璃海綿和硅藻浮游植物)能夠高效制造納米尺度的硅氣凝膠。設想一下,火星上的生命體最終很有可能生產類似硅氣凝膠的材料,形成一個可維持和適合居住的生態系統。

  事實上,我們下一步計劃提高在實驗室的火星試驗的規模和復雜度,并且在試驗場地進行初步的試驗。雖然火星非常獨特,但地球上有一些不宜居住的地區與其十分相似,如智利的阿塔卡馬沙漠和南極洲的麥克默多干谷區域。如果我們能在這些地區驗證了方案的可行性,那在證明它在火星表面的可行性上,將前進一大步。

  而火星改造的最大障礙將是“行星保護”:任何試圖轉移生命到火星的計劃,都必須避免污染已有生命的土地。相較于之前提出的對火星全球的地形改造方案,我們這種局部和可擴展性的方案更容易操控,但未來“行星保護”依然是一個需要詳細考慮的問題。

  要在其他行星上建造一個切實可行和自給自足的棲息地,我們還有很長的路要走。如果人類選擇將火星改造為一個適合居住的星球,我們的研究將能提供一個在未來幾十年就可實現的可行方案,而不需要花費幾個世紀的時間。這是非常值得激動的事情。

  (撰文?羅賓·沃茲沃思(Robin Wordsworth)?翻譯?高宏)

  (本文譯者高宏是大連海事大學的物理系教授,目前的研究興趣包括聚變物理理論和模擬,復雜系統的同步動力學及其在自然、社會、哲學、經濟、藝術等多領域交叉學科的應用。)

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