火星定居的全面蓝图

整个20世纪，载人探索火星提出了多项建议。其中包括沃纳·冯·布劳恩(WernervonBraun)著名的“火星计划”、罗伯特·祖布林(RobertZubrin)和大卫·贝克(DavidBaker)的“火星直接”任务架构、NASA的火星设计参考任务研究以及SpaceX的Mars&Beyond计划。到2033年，两个航天机构(NASA和CNSA)计划开始向这颗红色星球派遣宇航员和有效载荷。这些和其他航天机构设想在那里建立基地，最终可能导致永久定居点和第一个“火星人”。

这带来了几项重大挑战，其中最重要的是与暴露于辐射、极端温度、沙尘暴、低气压和低重力有关。然而，通过正确的战略和技术，这些挑战可以转化为增长和创新的机遇。在最近的一篇论文中，莱顿大学的研究人员提出了火星定居点的路线图，该路线图利用了最新的技术进步，并提供了强调可持续性、效率和定居者福祉的解决方案。

该提案来自莱顿大学莱顿高级计算机科学研究所(LIACS)助理教授、瑞士量子技术开发商TerraQuantumAG董事会成员FlorianNeukart。他的论文《走向可持续地平线：火星殖民的综合蓝图》的预印本最近发布到arXiv预印本服务器上，目前正在由爱思唯尔审核出版。

计划的演变

除了探索之外，自太空时代开始以来，人们还提出了许多将火星改造为人类第二家园的建议。其中一些提案涉及地质工程(又名“地球化改造”)，以使火星适合陆地生物居住。更重要的是，提案的历史反映了探索的历史和我们对这颗红色星球日益增长的了解。其他因素包括技术进步、科学发现以及社会经济和政治发展。正如努卡特通过电子邮件解释的那样，最早的想法主要体现在科幻小说中。

例如，HG威尔斯的《世界大战》、埃德加·赖斯·巴勒斯的《巴松系列》、雷·布拉德伯里的《火星编年史》、阿瑟·C·克拉克的《火星之沙》以及罗伯特·A·海因莱因的《红色星球》和《异乡异客》。这些书以有限的科学准确性描绘了火星，反映了当时人们对火星的看法。这包括斯基亚佩雷利的地图(其中包括火星“运河”)和珀西瓦尔·洛厄尔对火星文明的推测。他们还受到地球上政治事件的影响，这些事件导致了仇外情绪、文明的衰落和环境问题。

然而，随着太空时代的到来，情况开始发生变化，机器人探索消除了古老的神话，并导致了关于火星过去和现在的重大发现。正如努卡特解释的那样：

“20世纪后半叶和21世纪初标志着各种机器人任务在火星上的部署，例如维京计划、勇气号、机遇号和好奇号等漫游车，以及火星奥德赛号等轨道飞行器。这些任务提供了宝贵的火星地质资料，气候、潜在的宜居性数据。2000年后，关于火星的讨论越来越倾向于人类探索和定居。

“这些战略包括利用现场资源、了解对宇航员的潜在健康影响，以及开发支持人类在火星上生活的必要技术。近来，SpaceX等私人实体也越来越多地参与火星定居计划。埃隆·马斯克的愿景是让人类成为多行星物种，特别强调在火星上建立城市，这为火星相关技术带来了新的视角和重大投资。”

如今，越来越多的航天机构为火星探索做出了贡献。20世纪只有美国宇航局和苏联向这颗红色星球派遣了任务，而在过去的二十年里，欧盟、中国、印度和阿拉伯联合酋长国也向这颗红色星球派遣了新的任务。这使得人们越来越认识到，火星定居可能是一项基于伙伴关系和合作而不是竞争的国际努力。正如Nuekert所补充的那样，我们日益增强的气候意识对规划产生了显着影响：

“最近的计划更加强调可持续性，确保火星定居点能够自给自足，并且尽量减少对地球补给的依赖。这包括考虑闭环生命支持系统、就地资源利用和居民的心理可持续性。火星定居点计划经过这些阶段，从推测性的、主要基于科幻小说的想法，发展到植根于实际数据和不断发展的技术能力的更具体、更科学、技术上可行的概念。随着我们的进步，计划继续变得更加精致、务实和包容各种科学、社会和伦理考虑。”

挑战

详细来说，在火星上建立人类定居点的挑战包括我们两个星球之间的距离很远，这意味着补给任务不会频繁，并且通信会遇到延迟问题。发射窗口将被限制为每26个月一次，恰逢火星和地球彼此最近(火星冲日)，并且凌日将需要长达九个月的时间。除此之外，还有无数的人为因素(正如纽卡特指出的)：

对火星环境的生理适应：

辐射暴露：火星表面暴露于比地球更高的辐射水平。长期接触会带来严重的健康风险，包括增加癌症易感性。

微重力效应：火星上重力的减小(约为地球重力的38%)会对宇航员的肌肉骨骼和心血管系统产生深远的影响。

心理和情绪健康：

隔离和禁闭：火星任务期间长期的隔离和禁闭可能会产生心理影响，可能会影响宇航员的心理健康和群体动态。

通信延迟：火星和地球之间的显着通信延迟(单程4到24分钟不等)要求船员高度自主地操作，这可能会影响决策和压力水平。

社会和人际动态：

团队凝聚力：确保船员之间稳定和支持性的人际关系对于保持士气和有效协作至关重要。

冲突解决：在有限和孤立的环境中，建立管理和解决船员内部冲突的机制变得至关重要。

人力绩效和工作量管理：

任务设计和工作量：确保任务设计认识到火星环境的身体和心理压力，并管理机组人员的工作量，以防止疲劳和倦怠。

技能维护：制定策略来维护和增强任务期间所需的各种技能，特别是考虑到通信延迟所需的自主性。

栖息地设计和可用性：

符合人体工程学和以人为本的设计：打造符合人体工程学且有利于宇航员身心健康的栖息地和工具。

私人和社区空间：平衡设计，为个人休息提供私人空间，为促进社交互动提供社区空间。

健康与医疗管理：

医疗准备：鉴于疏散或立即外部支持的可能性有限，确保船员拥有必要的培训和资源来应对医疗紧急情况。

健康监测：持续健康监测，以预先解决任何医疗或健康相关问题。

文化和道德考虑：

多元化的船员构成：应对船员内部的文化和个人多样性，确保包容和尊重的环境。

道德决策：建立道德决策框架，特别是在资源稀缺或医疗紧急情况下。

我们可以做什么?

解决将人类送上火星并建立我们文明前哨站的挑战，历史上已经提出了一些有趣的解决方案。这里的事物也经历了历史的演变，反映了我们对火星气候和环境日益增强的认识，但大部分动力保持不变。纽卡特说：“确保人类在火星上存在的可行性和可持续性需要采取多学科方法，协同结合各个科学和工程领域的进步。”“创新必须在技术领域迎合火星恶劣的环境，并促进人类的生存和生产力。”

自20世纪90年代以来，提案强调了就地资源利用(ISRU)的必要性，以尽量减少从地球运输的物资和建筑材料的数量。大量研究还致力于创建闭环系统，以最大限度地提高资源利用率、最大限度地减少浪费并且实现自给自足。为此，研究人员正在寻求受大自然启发的生物再生生命支持系统(BLSS)，即它们依赖于有机成分，如藻类、微生物或人工光合作用。努克特说：

“实现这一目标需要完善技术，使栖息地内的资源能够有效回收和再利用，并最大限度地减少对地球供应的依赖。从更广泛的角度来看，一个能够预测潜在危机并提供强有力的缓解和适应策略的彻底的风险管理框架至关重要。这包括开发技术和协议来应对不可预见的挑战，无论是技术故障、医疗紧急情况还是资源短缺。”

当然，在解决这些挑战之前需要进行一些技术开发。至于这些是什么，Nuekart强调了以下几点：

稳健的技术开发：

生命支持系统：完善闭环生命支持系统，通过资源回收和再生可靠地维持人类生命。

栖息地技术：开发持久的栖息地，保护居民免受辐射，保持压力完整性，并确保整体宜居性。

高级太空旅行：

运输：增强航天器技术，以实现地球和火星之间更高效、安全和可行的运输，例如通过我们下面讨论的MFPD。

进入、下降和着陆(EDL)：实现可靠且精确的EDL系统，以将有效载荷和人员安全着陆在火星表面。

就地资源利用(ISRU)：

资源开采和利用：建立可行的技术和方法来开采和利用火星资源(例如水冰)。

能源生产：确保火星上可持续和可靠的能源生产，可能利用太阳能和核能。

宇航员的健康与安全：

对策：针对微重力和辐射暴露对人类健康的不利影响，制定有效的对策。

医疗设施：建立综合医疗设施和协议来管理突发事件。

科学探索和理解：

地质研究：进行彻底的地质研究，以了解火星的地形、地下和潜在资源。

寻找生命：进一步探索了解火星环境，主要关注生命的潜在存在或历史存在。

心理准备：

机组人员选拔和培训：为宇航员机组人员建立健全的选拔、培训和支持框架，以管理心理和社会动态。

任务模拟：进行广泛的任务模拟，以了解并为各种任务场景和挑战做好准备。

物流规划：

供应链：建立可靠的供应链，确保基本资源和备件的持续可用性。

通信系统：开发强大的通信系统，以促进与地球的有效通信，尽管存在严重延迟。

全球合作：

国际合作伙伴关系：促进国际合作，汇集资源、专业知识，分担责任和利益。

知识共享：建立全球知识共享框架，以加强集体理解和技术开发。

社会和文化方面：

公众参与：与国际社会合作，建立集体愿景并获得公众对火星定居点的支持。

文化保护：考虑如何在火星定居点保护和传承地球的文化和生物遗产。

这值得么?

这个问题对于任何重大事业都是至关重要的，必须在考虑和解决所有挑战之前(和之后)提出。就像在火星上探索和建立永久性基础设施的提议一样，人们给出了许多理由来解释为什么风险是可以接受的，而这项努力是值得的。正如努卡特在他的论文中所述，这些范围从确保我们生存的需要到它将实现的科学突破。然而，永久定居火星的过程充满挑战和危险。

但正如火星定居的支持者所说，这些同样的危险也代表着创新、发展以及我们作为一个物种和文明的成长的机会。

“在火星上定居的潜在好处有很多，值得承担各种风险和挑战。这些好处以及其他好处有助于解释为什么尽管存在固有的风险和挑战，但寻求火星定居仍然吸引了全球政府和私人实体的兴趣和投资“这一努力不仅仅是为了在另一个星球上建立人类存在，而且我还看到了那里的旅程所促进的进步、知识和协作努力，”纽卡特说。