载人火星之旅新蓝图

策划 本刊编辑部 编译 汪琳 魏明 刘声远

载人火星之旅新蓝图

策划 本刊编辑部 编译 汪琳 魏明 刘声远

2010年6月，6名男性志愿者进入一个模拟密封舱，开始为期约一年半（共520天）的与世隔绝的生活，以此模拟名为“火星500”的载人往返火星的全程任务。这一模拟火星之旅引起广泛关注。科学家说，真正的载人火星之旅至少还要等20到25年才能成行，但在新技术的帮助下，它一定能够实现。

① 模拟去火星

载人火星之旅是一定能实现的，这只是一个时间问题。不过，在成行之前，我们必须做好一切准备。下面介绍的最新模拟任务只不过是千头万绪中的一个必须进行的准备环节而已。201

模拟密封舱舱门关闭

0年6月3日，6名男性志愿者进入俄罗斯的一个模拟飞船密封舱，开始为期约一年半（共520天）的与世隔绝的生活，以此模拟一次名为“火星500”的载人往返火星的全程任务。

这6名志愿者是从1000名申请者中间挑选出来的，其中一名来自中国、一名来自意大利、一名来自法国、三名来自俄罗斯。模拟密封舱位于莫斯科生物医学问题研究院内，看起来就像是来自科幻小说中、由四个内部连通、没有窗户的圆柱形舱构成，其内部的总体空间为550立方米。这次任务引起国际科学界广泛关注。当志愿者们进入模拟密封舱之际，一些到场参观者打趣地祝愿他们“2011年新年快乐”。志愿者进入模拟密封舱后，厚重的铁舱门被关闭。

就像一次真正的火星任务一样，这个6人“机组”食用与宇航员在空间站上食用的一样的食物，并且有严格的食品配额。他们呼吸经过回收的空气，还将在“飞船”上自行种植蔬果。此外，他们与“飞船”外部只能以电子邮件的方式进行联系，并且按照火星之旅的要求有多达40分钟的迟延。模拟密封舱的铁门直到实验结束才会打开，不过，在此期间要是有“宇航员”意外“死亡”，其“尸体”将被推出“飞船”，此时舱门也会打开。

“飞船船长”在进入模拟密封舱时才新婚几个星期，主办方和志愿者想通过这一点来考察参加真正的火星之旅的宇航员是否能经受住长时间的情感煎熬。这次模拟实验之所以只选择男性志愿者参加，也是考虑到避免情感纠葛影响初期的载人火星之旅。

在模拟密封舱里的漫长日子被分成每天3个8小时，分别为睡眠、工作和休闲。舱里有书籍、语言学习资料和3D视频游戏。有“宇航员”携带吉他进入“飞船”，假如真正的火星飞船上有相似的东西，那么宇航员们或许不会感觉飞船上的日子难捱。

志愿者们进入模拟密封舱之前

左图：模拟密封舱温室内栽培植物

右图：“机组”人员在模拟密封舱内用餐

在520天的任务期里，有3名“宇航员”将间或离开“母船”，进入一个模拟火星登陆器的特殊舱。与此同时，另外两名“宇航员”将在一个沙坑中模拟太空漫步，届时他们将戴上3D眼镜以帮助诱导在火星表面行走的感觉。

按照目前可行的技术，在一次火星任务中，前往火星需费时250天，在火星表面待30天，从火星返回地球需240天，加起来就是520天。这次模拟实验当然不可能模拟真实火星任务的方方面面，例如无法模拟恐惧感——“此行恐怕会一去不复返”的感觉。与真实的太空飞行不同的还有，模拟实验中志愿者们将不会面临长期失重和宇宙中离子化辐射的威胁。

此前，莫斯科生物医学问题研究院已进行过两次类似的实验，其中一次持续了14天，另一次持续了105天。科学家估计，真实的载人火星之旅至少还要等20到25年才能成行，但载人火星之旅是一定能实现的，这只是一个时间问题。而在成行之前，做好一切准备是必须的，此次最新模拟只不过是千头万绪中的一个准备环节而已，但又是必须进行的环节之一。

② 奔向火星

火星先驱者（想象图）

迄今为止，美国宇航局的载人登陆火星计划仍语焉不详，缺乏细节。不过，下面介绍的这个方案被不少航天界人士所看好，对于爱好航天的一般人来说，读起来也饶有趣味。

1961年，美国宇航局曾提出两种载人登陆月球的可行计划——“地球轨道会合”和“直入月球轨道”。尽管当时宇航局官员准备在这两种方案中选择一种，但弗吉尼亚州兰利研发中心名不见经传的工程师约翰·霍巴特却提出了另外一种非常大胆而又颇具匠心的方案——“月球轨道会合”。按照这个方案，两艘飞船将在距离地球40万千米的月球轨道上进行对接。该方案一经提出，立即惊呆了所有人，大家都认为这个方案太复杂、太危险也太古怪。然而，霍巴特的执着，以及“月球轨道会合”方案的完美逻辑最终战胜了一切质疑，1969年7月20日，两名美国宇航员——尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林——踏上了月球。

实现登月40年后，美国宇航局重提送人上火星计划，这时人们又想起了约翰·霍巴特的反传统精神。按照美国宇航局原本的计划，载人登陆火星任务基本上就是载人登月任务的扩大版：用大功率火箭将一次性使用的大型飞船从地面推送到行星际速度，然后逐渐减速以实现最终登陆火星。这个计划无疑需要巨大的能量，换句话说，规模过于庞大，实施过于复杂，成本过于高昂，如果实施，最终可能面临和“阿波罗计划”一样的命运。“阿波罗计划”是美国历次载人登月任务的总称。该计划因每次任务成本高昂，而宇航员登上月球后只能作短时间停留，完成月球漫步、插上旗帜、简单取样等任务，实际意义不大，最终不得不中止。

毋容置疑，载人登陆火星计划应该从载人登月任务中吸取经验教训。曾经登陆月球的奥尔德林根据自身登月经验和学识提出了一个较为完整、具体的登陆火星的全程方案。他提出的载人登陆火星蓝图，是基于可重复使用、在永久性轨道里持续环绕于地球和火星之间的飞船。从长计议，奥尔德林的这一方案所需的能源要少得多。一旦就位，一个环绕飞船体系再加上可靠的时间表和较低的维护成本，就能为定期、多次性载人登陆火星，并且在这颗红色星球表面建立永久性人类基地打开方便之门。

下面是奥尔德林对他的载人登陆火星计划所进行的详解。

约翰·霍巴特在解释“月球轨道会合”

环绕飞船系统

一艘永久性环绕飞船的主要优势，就是它只需被加速一次。在它首次被推进至一个经过火星和地球的太阳轨道后，环绕飞船就靠自身动量在太空中滑翔，只需偶尔略施推力以使它保持在轨道中就可以了，这样就可大大降低单次火星任务的总能源需求。由于常规化学火箭是如此“饥渴”——例如搭载奥尔德林等人登月的“阿波罗11号”飞船超过90%的质量都是用于起飞的燃料，因此省下来的每一千克质量都意味着更少的推进剂和更小型、更低成本的推进器。

当环绕飞船带着长时间太空行程所必需的长期人类生存系统、辐射屏蔽和人工重力装置在轨道中安定下来后，它将以可预测的日程经过火星和地球。宇航员驾驶“的士飞船”（例如美国宇航局正在研发的“乘员探索飞船”），在环绕飞船经过地球时和它对接，为此只需要不多的推进剂来让“的士飞船”加速。当环绕飞船经过火星时，“的士飞船”脱离环绕飞船，减速进入火星轨道，这就好比一位乘客走下火车一样。环绕飞船随即加速离开火星，踏上重返地球的征程，为搭载下一批前往火星的人们做好准备。

实际上，火星-地球环绕飞船的理念早在20世纪60年代就已提出。当时，科学家设想的是，被称为“卡斯托”的太空舱在多个非正圆轨道中环绕太阳运行，这些非正圆轨道既要经过火星也要经过地球。不过，使用这样的轨道，环绕飞船要花长达7年半的时间才能完成一次往返地球和火星之旅，而且一次载人登陆火星任务需要多达6艘环绕飞船在这些交叉的轨道中绕行。

上图：环绕飞船奔向火星（想象图）

中图：无人载荷舱与环绕飞船分离（想象图）

下图：火星登陆器与环绕飞船分离（想象图）

奥尔德林认为应该有更有效的方式。运用自己在麻省理工学院做博士研究期间开发的变轨技术，以及在“双子座12号”飞船和“阿波罗11号”飞船上获得的第一手太空飞行经验，奥尔德林计算出：假如利用来自地球的引力援助（也称弹弓效应），将环绕飞船弹射到一个更好的轨道，那么载人登陆火星任务所需的时间就可大大缩短。

引力援助是一种早已被证明切实可行的行星际飞行技术，它已被应用于“旅行者1号”、“旅行者2号”、“卡西尼-惠更斯号”和“伽利略号”等多个无人探测器。假如一艘飞行器飞得足够靠近一颗行星，它的轨道就会被这颗行星的引力场折曲。这一过程可以被比作是一只球（飞行器）从一面墙（行星）弹射开来。假如墙是朝着球移动的，那么球的反弹速度就会比碰撞之前高。同样，假如墙有一定的倾角，那么碰撞后球就会改变运动方向。不管在上面哪种情况下，大量能量都会被添加给飞行器（例如环绕飞船），并且无需任何燃料（推进剂）。

利用来自地球的引力援助，再在较小程度上利用来自火星的弹弓效应，奥尔德林设计出一条环绕飞船轨道，环绕飞船只需26个月就能完成一次往返地球和火星之旅。其中，按照美国宇航局正在考虑中的最少中转次数，环绕飞船只需5个月就能到达火星。

不过，引力援助环绕飞船的理念有一个很大的缺点，就是环绕飞船在飞经火星时的时速高达43452千米。这在“的士飞船”脱离环绕飞船飞向火星表面的过程中并无大碍，因为后者可依靠火星大气的摩擦力来减速和制动，无需使用任何推进剂；但在“的士飞船”离开火星返回地球的行程中，它将需要大量推进剂才能赶得上快速离开的环绕飞船。

为了解决这一难题，奥尔德林设想了一种混合飞船，并把它称作“半环绕飞船”，用于从火星返回地球的阶段。同环绕飞船一样，半环绕飞船也将在地球和火星之间的引力援助轨道中穿梭，但它在火星大气中将利用大气摩擦来减速（也称大气制动）和中断主动环绕，并在一个围绕火星的轨道中懒洋洋地待机4个月，直到搭载下一艘返回地球的“的士飞船”。半环绕飞船的飞近速度将低至每小时8000千米，这样的速度很容易让低推进剂的“的士飞船”与之会合。一旦到达地球轨道，它将释放“的士飞船”，让其通过大气制动进入地球大气层，而它自己则被弹射进一趟迂回的14个月之旅，重返火星等待下一次任务。

半环绕飞船也有一个缺陷，就是需要推进剂来让自己加速脱离火星轨道以返回地球。尽管这样，与用传统火箭进行直飞相比，总成本的降低仍然十分可观。半环绕飞船的第二个缺点是重返地球的中转时间较长，大约需要8个月。不过，半环绕飞船的轨道还可以再精细化，以达到最短的中转时间、最优的轨道周期和飞近速度。科学家目前正在进行这方面的研究。

在月球表面开采和提炼资源（想象图）

技术支持

环绕飞船本身其实只是一项长期太空计划的“盖顶石”。奥尔德林认为，美国宇航局建议用“的士飞船”重返月球是朝着载人登陆火星迈出的正确的第一步。第二步应该包括对火星的卫星福波斯进行探索性飞行，福波斯可以充当载人登陆火星的初期跳板。但是，要想创造一个可持续的火星运输系统，则需要一个巨大的支持性基础设施。

在月球上建立永久基地，就可以使用月球冰为“的士飞船”向环绕飞船的冲刺生产液态氧和氢燃料。20世纪90年代，美国宇航局的探测器首次发现了月球极地附近陨击坑里存在冰的迹象，此后至今的探测结果已经确认月球上存在冰，而且有大量冰。

“的士飞船”、半环绕飞船及火星登陆器/上升器所需的液态氧和甲烷燃料，也可以在火星表面的永久性基地生产。这个推进剂工厂的生产原料包括液态氢和提取自火星大气的二氧化碳。最近，火星巡游车已经在火星极地地表下发现了水冰，这意味着也可以在火星上就地生产氢燃料。

一队无人运输船将为环绕飞船和月球及火星表面的人类基地供给物资。这些无人运输船不使用化学火箭，而是使用效率更高的低推进力离子驱动引擎（早在1998年，美国宇航局就在其“深空1号”探测器上对离子驱动引擎进行了成功测试）。因速度太慢，它们不适用于载人太空旅行，但可作为运输船提前几年发射。

飞向火星

现在让我们假想时间已经到了2040年，一趟为期5年的火星往返之旅正在地面整装待发。

8名宇航员坐在“的士飞船”里被发射升空，一种高性能的氢推进器为飞船提供动力。进入低地球轨道后，“的士飞船”同一艘火星登陆器及先前发射自地球的一个推进舱对接。在这个“阿波罗式”的三单元系统中，宇航员点火进入一个环绕地球、高度偏离正圆的6天“集结”轨道，然后被带到地球与月球之间一半距离的地方，与一艘供给船对接，供给船上装载着在月球上生产的液态氧和氢燃料。“的士飞船”从推进舱汲取燃料，以便加速与环绕飞船对接。此刻，环绕飞船正快速接近地球。

“的士飞船”转而飞向火星，其变轨点火持续大约7分钟，加速度达到大约2g（g是重力加速度，2g即两倍重力加速度）。如果操作无误，大约10天后，“的士飞船”在距离地球160万千米的地方与环绕飞船会合。“的士飞船”和火星登陆器分离，两者都同环绕飞船对接，此时环绕飞船正懒洋洋地旋转着以模拟火星的引力——只有地球引力的38%。宇航员离开“的士飞船”，进入环绕飞船的居住舱，里面配有食物、水、辐射屏蔽装置及一切长期太空任务所必需的东西。在这里，宇航员可以读完一本长篇小说，因为在接下来的5个月里没有太多工作。

随着环绕飞船接近火星，宇航员重新进入“的士飞船”，等待下降至火星轨道。同环绕飞船告别后，携带着登陆器的“的士飞船”进入火星大气层，作几分钟的空气制动后跳进一个低轨道。在这里，宇航员转入登陆器——就像尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林当年在“阿波罗11号”飞船上那样——离开忠诚的“的士飞船”，点燃登陆器的反向制动火箭，准备降落到火星表面。使用空气制动、一把降落伞和精确的火箭制动，宇航员最终在火星主要基地成功登陆。

此刻，在26个月前登陆火星、执行上一次火星之旅任务的机组成员们正等候在基地，他们用香槟酒迎接新到的同事，也急切渴望搭乘新同事们使用的登陆器/上升器，踏上历时18个月的返回地球家园之旅。至于新到的宇航员，在一阵新鲜感过去之后，肯定也将长时间渴盼漫长的回家之旅——毕竟火星还远远没有地球家园那么让人留恋！

火星表面的宇航员及探索舱（想象图）

返回地球

在接下来的44个月里，宇航员们探索火星表面，监控一系列研究项目，管理至关重要的燃料制造厂。在第18个月，上一批宇航员踏上返乡路。在第26个月，新一批宇航员登陆火星，而现在的这批宇航员将使用他们的登陆器/上升器开始返回地球之旅。接着，发射添加燃料的火箭，为新来的宇航员留在轨道中的“的士飞船”添加燃料。在第38个月前后，半环绕飞船抵达并通过空气制动进入自己的为期4个月的火星轨道环绕，此时仍待在火星表面、但即将离开的宇航员们，将可能看见半环绕飞船在划过火星大气上层过程中留下的明亮轨迹。随着这批宇航员离开时间的临近，半环绕飞船下降到低轨道与“的士飞船”对接。这时，宇航员从火星表面发射无人火箭，火箭上携带着为半环绕飞船添加的燃料。

离别的时刻终于来到。机组成员为登陆器/上升器灌满燃料，上升器升入火星轨道，同已经连接上“的士飞船”的半环绕飞船会合。在经历一次力度温和的返回地球变轨点火后，半环绕飞船离开火星轨道，开始为期8个月的回家旅程。

一旦进入合适的轨道，宇航员就会在零重力之下飘浮起来。半环绕飞船不旋转，也就是不提供模拟的引力，这是因为回程中无需重力——由于长期失重的影响（参见相关链接：行星际旅行的挑战），宇航员重返地球引力场已不是什么大问题。在半环绕飞船上宇航员可以进行一些恢复性的训练，事实上这将为他们重温自己的这趟划时代旅程提供一个良好的机会。

随着越来越接近地球，“的士飞船”脱离半环绕飞船，通过空气制动进入地球大气层。在“的士飞船”准备下降进行最终的着陆时，一面降落伞展开，它要么进入海洋到达正在等待的回收船旁边，要么降落在陆地上。与此同时，半环绕飞船离开地球轨道，被弹射到返回火星的轨道。

环绕飞船体系所改变的不仅仅是载人登陆火星计划的成本，而且还包括这一计划背后的基本理念。这种新理念可以实现定期、多次展开载人往返火星之旅，从而在火星上永久性维持人类的存在。与浪费型、短期性、急功近利的“让我们尽快去火星”的计划不同，环绕飞船计划需要相对长时间的策划和准备。奥尔德林认为，只有这样，才能最终建立起地球与我们未来第二家园——火星之间的太空通道。

③ 定居火星

定居火星不仅仅是一个科幻话题，还是一个严肃的科学研究话题。火星的表面条件尤其是存在水的迹象，使得它成为太阳系中除地球外最可能支持人类生存的行星。

尽管月球被建议作为人类定居外星的第一个星球，但火星相比月球有一个优势——火星拥有大气层，虽很稀薄，但仍可能支撑人类及其他生物生存。

火星与地球相似之处

虽然金星与地球在总体组成方面最相似，但是说到能满足人类定居的条件方面，火星与地球之间的相似度远高于金星。以下是地球与火星之间最重要的相似之处。

●火星日（太阳日）同地球日非常接近。一个火星日是24小时39分钟35.244秒。

●火星表面积是地球表面积的28.4%，只略低于地球的陆地面积（占地球总面积的29.2%）。火星的半径是地球半径的一半，火星质量是地球的1/10，这意味着火星不仅体积比地球小，而且平均密度也比地球低。

●火星的轴倾角是25.19度，而地球的是23.44度。因此，火星上的季节同地球季节很相似，但每个火星季节的长度都是对应的地球季节长度的接近两倍，这是因为火星年的长度是地球年的1.88倍。火星北极目前指向天鹅座，而不是小熊座。

●火星有大气层，尽管很稀薄（只有地球大气层的大约0.7%），却能在一定程度上阻挡太阳辐射和宇宙辐射。事实上，探测器已经多次成功利用火星大气进行了空气制动。

●最近，美国宇航局“火星探索者巡游车”、“凤凰号”火星登陆器和欧洲空间局“火星快车”探测器对火星的探测结果证实，火星表面的确存在水冰。火星看来拥有大量支持地球类生命所需的一些基本元素。

荒凉的火星表面

火星与地球不同之处

地球与火星的不同之处在于：

●火星的表面重力只有地球的1/3多一点，目前仍不清楚如此低水平的重力是否足以预防与失重有关的健康问题。

●火星表面比地球表面寒冷得多，前者平均温度是-63℃，最低温度是-140℃。地球上迄今为止发现的最低温度是-89.2℃，是科学家在南极洲记录到的。

●目前火星表面不存在任何液态水体。

●与地球相比，火星距离太阳更远，到达火星大气上层的太阳能（太阳常数）还不到到达地球大气上层或到达月球表面的太阳能的一半。不过，到达火星表面的太阳能并不像到达地球表面的太阳能那样受到稠密大气层的阻碍。

●火星的轨道比地球轨道更偏离正圆，这加剧了火星表面温度和太阳常数的变动。

●目前火星表面的大气压只有大约6毫巴，远低于“阿姆斯特朗极限值”——61.8毫巴，后者是人类不穿宇航服在太空环境中生存所需的最低气压。由于对火星实施地球化改造不可能成为一个近期目标，所以火星表面的可居住结构必须配备压力舱。这种压力舱在外形上与飞船相似，其内部气压在0.3333巴到1巴之间。

●火星大气主要由二氧化碳组成，正因此，虽然火星大气压低于地球大气压，但火星表面的二氧化碳气压却是地球表面的大约53倍。火星大气中还有大量一氧化碳。此外，火星的磁层微弱，因而无法让太阳风转向。这些因素显然都不利于人类定居火星。

最寒冷时期的火星比目前还冷得多（想象图）

“全副武装”出舱，抵御火星表面辐射（想象图）

可居住性

火星表面的可居住性远高于其他任何已知行星或卫星的表面。例如，水星表面的冷热变化过于极端，金星表面过于炽热，那些外行星及其卫星的表面又过于寒冷，因而它们都不适宜于生命存在。只有金星的云层顶部在可居住性方面比较接近于地球和火星，难怪有天文学家猜测金星云层可能存在我们难以想象的生命形式。而在地球上，同火星匹配的地貌和条件就太多了。例如，在1961年5月创下的载人气球所升至的最高高度是34668米，在这个高度的气压与火星表面相同。而在地球北极和南极的严寒，则在火星表面司空见惯。

美国宇航局副局长戴尔2007年3月21日在该局举行的一次高科技大会上说：“我们希望发现火星是否能够为人类提供第二个人家园——能够延伸人类文明——在距离地球超过6400万千米的地方。”大多数天文学家相信，未来可以对火星实施地球化改造，使得包括人在内的各种各样的生命能够在这颗红色行星表面相对自主地生存。

辐射问题

宇宙辐射和太阳风会损害DNA，大大增加人体患癌概率。虽然长期行星际飞行对人体健康的影响还不清楚，但科学家估计男性死于在往返地球与火星过程中所受辐射的概率高达19%，再加上男性在地球上死于癌症的可能性——20%，总的可能性就高达39%。对于女性来说，这种可能性更高，这是因为女性的腺组织更大。

与地球不同，火星不具有全球性的磁场，再加上火星大气层稀薄，因此大量的离子化辐射会到达火星表面。美国宇航局“火星奥德赛飞行器”上携带的“火星辐射环境试验仪”发现，火星上空轨道中辐射水平是国际空间站上的3.5倍。暴露在这样的火星辐射下3年以内，基本上符合目前美国宇航局所认定的安全标准。至于火星表面，辐射水平还会低一些，但根据各地的地势高度和磁场水平不同而有很大变化。

上图：“火星奥德赛飞行器”（想象图）

下图：太阳帆（想象图）

不时发生的太阳质子事件会产生很高的辐射剂量，“火星辐射环境试验仪”观测到了一些这样的事件，而在地球附近的感应器却未感应到这类事件，这是因为太阳质子事件是有方向性的，这也使得未来的火星宇航员得到提前预警的难度加大。

宇航员前往火星或从火星返回地球途中要在宇宙空间待很长时间，但科学家对于太空辐射迄今仍所知不多。不过，科学家正在利用粒子加速器来模拟太空辐射，研究它对生物的影响，并且开发相应的屏蔽技术。有证据显示，太空辐射或许并不像此前认为的那么危险，但登陆火星必须当心辐射侵害尤其是太阳质子事件的影响。不过，以目前的技术应该能防御这些严重辐射。

飞船技术

从飞船变轨所需能量来看，从地球前往火星比前往其他任何行星都更容易，只有金星是一个例外。若使用郝曼转移轨道（由德国科学家郝曼在1925年提出，假定飞船在两个共面环形轨道中移动），从地球前往火星需要在太空中飞行大约9个月。若采取经过改进的轨道，可以将这一时间缩短到7个月甚至6个月，但所需能量更多，目前这样的轨道已在机器人火星任务中采用。要想继续缩短飞行时间，就需要高得多的能量和多得多的燃料，使用化学燃料的火箭是不可能做到的，而正在开发中、尚未投入使用的先进空间推进技术如“可变特定脉冲磁等离子体火箭”或核火箭等则能做到，核火箭甚至能将这一飞行时间缩短至大约两星期。另一种思路是借助太阳帆或离子驱动，使飞船持续稳定加速。不过，目前这几项新技术都不成熟，甚至很不成熟。

④ 让火星变成地球

火星基地的工厂参与火星地球化改造（想象图）

对火星实施地球化改造的通俗说法是“让火星变成地球”。具体而言，就是通过改变火星的气候、表面地貌和其他已知的火星特征，使火星成为一颗可以供地球人和其他地球生命居住的星球。

根据在地球上的经验，一颗行星的环境确实可以被人为改变，例如全球变暖就被认为主要是人类活动尤其是工业革命以来的人类活动所造成的。不过，创造一个不受约束的行星生物圈的可行性究竟有多大目前仍不确定。下面描述的行星地球化改造的多种方法或许都没有超越目前人类的技术能力，但就目前情况而言，要想获得实施这些方法所需的天量经济和自然资源还非常非常困难。换句话说，在近期就想对其他天体例如月球或火星实施地球化改造是不可行的，但是在不远的将来也许是可行的。

让天体地球化的理由

在未来，地球人口爆炸和对资源的需求激增或许会迫使人类移居一部分到火星、月球及附近其他行星之类的其他星球上，同时还要开发太阳系中的能量及其他材料。这就是实施天体地球化改造的主要理由。

让行星地球化的远期理由，就是让地球生命能够逃避未来的天谴——大毁灭。生命不可能在地球上永久存在，从现在起到大约76亿年后，太阳将膨胀到最大体积，变成红巨星，其表面将延伸到今天地球轨道之外20%的地方，亮度将增加3000倍。假如到那时地球上仍有生命存在，它们肯定将被毁灭。科学家预测，膨胀的太阳将可能毁灭金星和水星，地球也将因为过于炽热而无法再支持生命存在。不过，太阳在变成红巨星的过程中会失去相当大一部分质量，因此也有一种可能性存在，即火星及其他外行星届时将逃离太阳的魔掌，这是因为这些行星的轨道届时也将加宽。地球的最终命运则不太确定，随着技术的进步，地球人最终或许能够使得地球的轨道加宽，并且使地球维持足够高的角速度，从而让地球免遭被太阳吞噬的厄运。为做到这一点，地球轨道宽度需要被增加到1.3～1.7个天文单位（1.9亿～2.5亿千米）之间。

据推测，在太阳进入红巨星阶段之前，地球就会被淘汰出自己在太阳系可居住地带中的位置。据估计，再过30亿年，太阳的亮度会增加33%，加热的太阳和增加的太阳辐射将蒸干地球的海洋，地球最终将变回最初那样的熔融状态，太阳系中可居住地带届时将移至火星轨道外。这一过程将赋予地球居民几千年的时间来开发太空技术，最终实现在太阳系里的其他地方定居。

上图：火星表面的巨型冰川（想象图）

下图：火星被一步一步改造成地球的模样（想象图）

背景

火星的构成中包括许多土壤矿物，从理论上说它们可被用于对火星进行地球化改造。火星表面下存在大量水冰，而在火星两极地区表面也存在水冰，与干冰（冻结的二氧化碳）混合在一起。科学家还推测，在火星的地壳深处也存在巨量冰。火星极地的干冰在火星夏季升华，留下少量水，但被劲风以接近每小时400千米的速度扫虐，大量尘埃和水蒸气由此进入火星大气层，使得火星大气中可能拥有像地球上那样的卷云。

火星大气层中只有微量的分子氧（O2），但氧也存在于二氧化碳中，而二氧化碳是火星大气层的主要成分。原子氧则存在于火星表面的大量金属氧化物中，在火星土壤中也存在。对美国宇航局“凤凰号”火星登陆器提取的火星土壤样本进行的分析表明，火星土壤中存在高氯酸盐，而在化学制氧机中可以使用高氯酸盐来释放氧。还可以用电离方法将火星表面的水分解为氧和氢，但前提是得到足够的水和电。

有科学家认为，火星在其形成之初拥有和地球类似的环境，可能存在液态水，但今天火星水可能只存在于火星极地和火星表面下的永冻层中。换句话说，今天的火星没有液态水但有水冰存在。今天火星的微弱引力意味着，火星大气上层的轻质气体可能加速了火星大气的稀薄化，大量原子逃逸进入太空。此外，火星明显缺乏板块运动，在理论上这会减缓气体从锁闭在沉积层中到进入大气中的循环。不过，到达火星表面的大量太阳风也可能在加速火星大气层的稀薄化。火星缺乏磁场和地质活动，可能都是因为火星的体积较小，火星内部的冷却比地球迅速得多，不过这一过程的细节迄今仍不清楚。

过去的火星是有水的（想象图）

需要的改变

对火星实施地球化改造将包括三种互相交叉的变革：构筑火星大气层—保持它的温暖—阻止它逃逸到太空。火星大气相对稀薄，因此火星表面气压只有0.6千帕，而地球的表面气压为101.3千帕。火星大气中包含95%的二氧化碳、3%的氮、1.6%的氩，此外还有微量的氧、水和甲烷。正因为火星大气主要由二氧化碳构成，而二氧化碳是典型的温室气体，所以一旦开始加热火星，更多的二氧化碳就会从火星两极的冰封地区进入大气层，加剧温室效应。也就是说，构筑火星大气和加热它这两个过程是相互加强的，都对火星地球化有利。然而，为了实现火星地球化，还必须大规模、长时间地使用一些特定的技术，从而实现可持续的变革，这些变革主要包括以下几个方面：

制造大气、水

在构建火星大气方面，最重要的一步是水的引入。水可以从冰质小行星或木星及土星的卫星那里得到，当然也可能从其他水源得到，只是目前看来使用这些“其他水源”并不现实。

表面水 一个拥有大量水、距离火星又不太远的水源是矮行星谷神星。据估计，谷神星的质量占整个小行星带质量的25%～33%。谷神星的质量大约为9.43乘以10的20次方千克，水占谷神星质量的大约20%（这个数据目前仍有争议），水可能主要集中在谷神星的表面及接近表面的地下。谷神星的总水量大约是1.886乘以10的20次方千克，而火星的总质量约为6.42乘以10的23次方千克。因此，一个非常粗略的估计是，谷神星的水量大约占火星总质量的0.03%。但这仍然算得上庞大的水量，要想将如此巨量的水或来自任何冰质卫星的水运送到火星上去，无疑是极为困难的事。任何想改变谷神星的轨道以便将它整个移往火星的企图（就像是运用“引力拖拉机”来让小行星偏离轨道的策略一样），都可能对火星轨道造成扰动（因为谷神星完全有可能由此撞击火星），从而引发长时间的地质动荡。

引入氨 另一个更复杂的办法就是把氨作为一种强力温室气体。事实上，在太阳系外围环绕的那些小行星之类的天体上可能存在大量冻结的氨，有可能通过超大型核弹轰炸之类的方法使这些天体上的氨移往火星大气层。氨中富含氮，或许还能同时解决为火星大气层提供缓冲气体的问题。另一方面，持续的较小规模轰炸也有助于增加火星大气层温度和质量。

要想构筑适合人类居住的火星大气层，引入缓冲气体是一项很大的挑战。在地球上，氮是主要的大气成分，占大气质量的77%。火星恐怕也需要氮作为缓冲气体，虽然不需要那么大的比例，但要想获得足量的氮、氩或其他相对惰性的气体，还是很难的。

碳氢化合物的引入 还有一种办法就是引入甲烷或其他碳氢化合物，这些化合物在土星的卫星之一泰坦的大气层及表面广泛存在。一旦让甲烷进入火星大气层，作为一种温室气体，甲烷能强化温室效应。甲烷或其他化合物也有助于迅速增加火星大气压。在火星地球化改造的第二步，这些气体还可以用来为火星大气生产水和二氧化碳，相关的化学反应可以通过加热或太阳的紫外辐射来引发，生成的大量水和二氧化碳可以用来引发植物的光合作用。

氢的引入 为了构筑火星大气层尤其是为火星大气添加水，也可以考虑引入氢。例如，氢可以与来自火星土壤中的三氧化二铁发生化学反应，生成水和氧化铁。根据火星大气中的二氧化碳含量不同，引入氢并同二氧化碳进行化学反应，能产生水、热量和石墨，也能产生甲烷和水。

使用全氟化碳 要想适应人类的长期生存，火星气候必须保持长期稳定，这可能需要像全氟化碳这样的极为强力的温室气体。为此，可以发射搭载压缩全氟化碳的火箭撞击火星，使全氟化碳释放并进入火星大气层。这种方法相对廉价，最终同样能改变火星大气的组成，暖化火星的气候。但需进行10年的连续不断的撞击。也有科学家建议直接开采火星上存在的含氟矿，估计火星上的含氟矿储量不亚于地球，这样不仅能维持全氟化碳等超强力温室气体的连续生产，而且更有利于维持火星表面的“适宜”温度。

加热火星

为了加热火星，为火星添加热量并保持其现有热量是至关重要的步骤，这是因为来自太阳的热量是行星气候的主要源泉。随着运用各种方法让火星变暖，火星极地的干冰（冻结的二氧化碳）将气化进入火星大气，从而进一步加强温室效应。因气体流动造成的巨大气流将引发规模庞大、长期持续的沙尘暴，通过沙尘吸收太阳辐射而暖化火星大气中的分子。

安装轨道镜 可把特殊铝膜制成的超级大镜子置于环绕火星的轨道中，将阳光直接引向火星表面，由此直接让火星表面升温。还可将大镜子固定在火星极地上空附近，使极地干冰升华以强化温室效应。

改变反射率 改变火星表面的反射率，能够更有效利用照射到火星的阳光。火星的卫星福波斯和德莫斯表面有大量暗色灰烬，通过一些高科技手段，可以让它们集中成较大的尘埃，然后从太空均匀地“撒”向火星表面，使火星表面变暗，吸热增加。另外，也可将一些暗色的极端微生物（有可能在火星的极端环境下生存）例如地衣、藻类和细菌等引到火星表面，它们也能吸收大量的太阳辐射，而这些辐射如果没有这些微生物存在的话就会被反射回太空。

假如这些生命形式能在火星表面成功传播，火星大气中就将添加少量的氧（这些微生物制造的氧），当然这么一点点氧是不够人类呼吸的。不过，假如密度变得足够高之后，火星大气压就会接近地球大气压。

用镜子及透镜聚焦阳光来加热小行星使其蒸发。同样的思路可用于加热火星（想象图）

小行星碰撞 还可以用一种方式来为火星加热，就是导引小行星撞击火星表面，撞击的能量大部分以热能的形式释放，能将火星表面的冰气化成水蒸气，而水蒸气也是一种温室气体。还可以根据小行星的成分来选择小行星，例如富含氨的小行星会在撞击火星时将大量氨释放进火星大气层，强化火星大气的温室效应。

磁场 地球上之所以水量丰富，是由于地球电离层被磁场充盈，电离层中的氢离子虽因质量轻而游动很快，但它们无法逃逸到外太空，这是因为它们的轨道被磁场转向。金星虽然拥有稠密的大气，却只有微量水，其原因就在于金星没有磁场。火星大气中没有水，也是基于同样的原因。

科学家相信，火星之所以不适宜于大多数生命形式的生存，就是因为很高的太阳辐射水平。火星缺乏电离层，太阳辐射就将火星大气稀释到了今天的地步；太阳风为火星大气顶层添加大量能量，使得那里的大气粒子达到逃逸速度而离开火星。事实上，这一效应已被位于火星轨道中的探测器探测到了。另一种理论认为，正是太阳风撕裂了火星大气层。

另一方面，金星的例子表明，缺乏电离层并不意味着就不可能有厚密但干燥的大气层，而稠密的大气层照样能为行星表面抵挡一部分太阳辐射。这样的情况在地球上已经发生，地球电离层曾数次改变方向甚至彻底坍塌了一段时间，但地球生命仍然能延续至今，也可能说明缺乏电离层并不是太可怕的事。

缺乏保护性的磁场会对人体健康造成影响，这主要是源于宇宙射线对机体的伤害。科学家目前正在评估这种伤害。

2000年以来的火星探测项目

在轨项目 美国宇航局的“火星全球勘测者”探测器已于1997年抵达环绕火星的轨道，此后它拍摄了火星的全部表面。2001年，美国宇航局的“2001火星奥德赛”探测器进入火星轨道，在火星极地表面下发现了大量水冰，并且还为未来宇航员登陆火星测试了辐射水平。欧洲空间局的首个火星探测器——“火星快车”于2004年1月进入火星轨道。美国宇航局的“火星勘测轨道飞行器”于2006年11月进入火星轨道，它全天候监测火星的天气和表面情况，为未来的载人或不载人火星登陆器寻找合适的登陆地点，此外它还有新型的通讯系统。2007年9月27日，美国宇航局发射“黎明号”机器人探测器，定于2011年和2012年之间抵达位于小行星带中的灶神星（小行星）进行探测，2015年抵达谷神星进行探测。“黎明号”在2009年2月17日抵达火星，并借助火星的引力援助前往灶神星。

实地项目 2004年1月，美国宇航局的“勇气号”和“机遇号”火星探索巡游车（简称火星车）登陆火星，这两部火星车上搭载着系列相机和光谱仪，它们随后对火星岩石、土壤、地形地貌等情况展开了纵深性的探测，结果发现火星在历史上曾经存在过大量水，而且现在也存在水。2008年5月，美国宇航局的“凤凰号”飞行器登陆火星，其主要任务是寻找适合可能存在的火星微生物生存的环境条件，同时继续探索火星水历史。2010年5月12日，美国宇航局宣布“凤凰号”已在火星上彻底失灵（死亡）。不过，至此它已超出任务期服役好几个月，因此“凤凰号”任务总体上是成功的。

行星际旅行的挑战

即便载人登陆火星之旅的基本蓝图已定，要想真的载人去火星目前仍困难重重。环绕飞船的人工重力可以缓解零重力下的肌肉萎缩、骨质流失和心律不齐等问题，但空间旅行对人体来说仍是极大的考验。另一个难题是：如何推动负载去支撑火星基地。环绕飞船体系能降低所需的推进剂数量，但推进技术的革命性创新或许将比环绕飞船体系更实用。下面是在行星际旅行中宇航员所面临的一些最主要的问题。

辐射 宇宙辐射和致命的太阳耀斑或许是前往火星的宇航员所面临的最大风险。用于屏蔽核电站辐射的混凝土块对飞船来说太重而无法携带，但一些种类的塑料和淡水能够阻挡一部分粒子。一个更具未来色彩的思路是用一个磁盾包裹飞船，这个磁盾能让辐射转向，仿佛是地球磁场的一个微型版。

压力 对长期进行太空旅行的人来说，长时间待在太空舱里很可能会引发厌倦、抑郁甚至暴力冲突。睡眠循环被打断会让情况变得更糟：飞船上没有24小时的光周期，宇航员一天平均睡6小时，而一个成功的机组必须保持清醒和通力合作，因此科学家正在研究用人造阳光和药物来诱导生理节奏（与地球24小时运转相关的新陈代谢、内分泌作用及睡眠等的节奏）。能读懂面部表情的感应器或许将被用来判断一个宇航员是否正处在负面情绪中。当然，对候选的宇航员必须进行严格的筛选，以确保他们从一开始就状态稳定，心理和生理素质良好。

感染 在一艘严格封闭的飞船上，其他潜在的危险还包括耐药的病原体和化学泄漏。1997年，俄罗斯“和平号”空间站上的空调器发生防冻剂渗漏，结果造成航天员们的呼吸问题。科学家正在研发的生物感应器将能识别有害微生物的表面形状，从而能以很高的灵敏度来持续监测飞船内部的空气质量。