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火星改造试验

罗宾·沃兹沃思(Robin Wordsworth)
2020-01-23 09:13:51  来源:光明日报

  在行星科学领域,有一个近乎公开的秘密:大部分人最初加入这个领域,是受到了金·斯坦利·罗宾逊(KimStanley Robinson)在20世纪90年代的著作《火星三部曲》的激励。这本书描述了从殖民火星到最终将火星“地球化”等故事情节,在研究火星的学者中颇具影响力。

  但在2019年,当我重新阅读这套科幻小说时,注意到通过全新的硅气凝胶系统,我们或许可能移居到火星。

  书中一些设想的情节仍然遥不可及。把第一个人送上火星,尚且需要漫长的努力,那就更不用说把火星改造成人类的居住地了。许多严谨的科学方案试图将火星改造为类似地球的星球,但是这些方案都要求巨大的工业生产能力,而且还不切实际地设想火星上存在足够的二氧化碳。几年前,当我们开始考虑这个问题时,决定采取完全不同的思路。在研究火星的历史气候时,我们很快发现火星在历史上是一个间歇性宜居的星球。它与地球并不相似,是一个独特且完全不同的星球。所以,当我们思考如何让火星成为人类未来的宜居地时,应该更多地从火星上获取灵感。

  火星上存在一种特别有趣的自然现象,被称作“固态温室效应”(solid-state greenhouse effect),即每当火星进入夏季,其两极冰冠下的冰层都会被急剧地加热。这一现象出现在当可见光传播到冰冠下绝热物质的内部时,由于能量被束缚,会产生急剧的加热效应。

  受这一现象和几年前我给学习行星气候的研究生布置的一个问题的启发,我们开始研究在火星表面覆盖一层薄薄的透明固体材料,到底可以让火星产生多少热量。在试验中,我们使用了硅气凝胶,这种特别的材料兼具极好的绝热性和低密度性(超过97%的成分为空气),且对可见光近乎透明,这些特点使得它成为创建固态温室效应的理想材料。

  美国航空航天局(NASA)已经将硅气凝胶用于火星探测器内部的隔热和其他项目。通过综合了实验数据、模型和第一性原理理论,我们发现仅需2到3厘米厚的气凝胶材料布置在火星表面或不太高的地方,就可以隔绝大部分有害的紫外线并使得火星表面维持足够藻类或蔬菜生长的温度。相比以前的方案,我们的方案从一个局部的区域逐渐展开,更有可能将火星改造成宜居地。

  那下一步需要做些什么?虽然这个方案的基础物理部分已经十分完整,但是在如何利用这种方案建造一个真实的火星居住地,依旧有很多工作需要完成。首先硅气凝胶非常脆弱,要作为坚固的外部防护并且能控制内部的压力,它还需要改进,比如与其他材料混合。还有一个问题是,如何给火星上提供足够的硅气凝胶。由于硅气凝胶足够轻,因此可以从地球向火星运输,但是最好的方式还是能在火星上生产硅气凝胶。

  硅气凝胶的一个标准制造方案包括一个高压的二氧化碳干燥流程,这些二氧化碳可以从火星大气中获取。值得注意的是,地球上的一些生命体(如玻璃海绵和硅藻浮游植物)能够高效制造纳米尺度的硅气凝胶。设想一下,火星上的生命体最终很有可能生产类似硅气凝胶的材料,形成一个可维持和适合居住的生态系统。

  事实上,我们下一步计划提高在实验室的火星试验的规模和复杂度,并且在试验场地进行初步的试验。虽然火星非常独特,但地球上有一些不宜居住的地区与其十分相似,如智利的阿塔卡马沙漠和南极洲的麦克默多干谷区域。如果我们能在这些地区验证了方案的可行性,那在证明它在火星表面的可行性上,将前进一大步。

  而火星改造的最大障碍将是“行星保护”:任何试图转移生命到火星的计划,都必须避免污染已有生命的土地。相较于之前提出的对火星全球的地形改造方案,我们这种局部和可扩展性的方案更容易操控,但未来“行星保护”依然是一个需要详细考虑的问题。

  要在其他行星上建造一个切实可行和自给自足的栖息地,我们还有很长的路要走。如果人类选择将火星改造为一个适合居住的星球,我们的研究将能提供一个在未来几十年就可实现的可行方案,而不需要花费几个世纪的时间。这是非常值得激动的事情。

   (撰文 罗宾·沃兹沃思(Robin Wordsworth) 翻译 高宏)

  (本文译者高宏是大连海事大学的物理系教授,目前的研究兴趣包括聚变物理理论和模拟,复杂系统的同步动力学及其在自然、社会、哲学、经济、艺术等多领域交叉学科的应用。)

编辑:张苇柠

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