被《绝地救援》前,必看的火星求生教学手册

作者: 深云星际移民 2015-10-09

导读:去到火星,可不是闹着玩的,如果不懂一些求生技能,很可能等不到《绝地救援》就挂了。

原本以为电影公司很贴心的准备了电影中的马铃薯当看电影的零食,既解馋又应景。但咬了一下发现是生的…….

原本以为电影公司很贴心的准备了电影中的马铃薯当看电影的零食,既解馋又应景。但咬了一下发现是生的…….

笔者日前有幸能参与到《绝地救援》的试映会(炫耀无误),大致上可说这是「浩劫重生」的宇宙荒岛版,只是韦尔斯排球先生换成了GoPro置入营销摄影机,宇宙荒岛火星上虽然没有会自我进化的兄贵蟑螂,但吸个几口浓浓的二氧化碳也会上天堂。

也别提什么被丢包火星还被远程举办葬礼,好不容易联系到地球但连实时通打个脏话都会被全球直播的悲催情节了。这部电影倒是很扎实地告诉我们,想在火星生存下来,除了要有跨国合作的逆天科技应援,更别忘了国高中时课本里的知识也是救你一命的关键。我们姑且来整理一下电影中曾出现的救命元素,希望能对各位的火星旅行置产移民计划有所裨益XD

在火星上占地为王,你需要……

绝地救援剧照。

绝地救援剧照

每分每秒都不可或缺的氧气

对我们来说,火星的大气组成相当的不友善,高达96%是二氧化碳,而赖以为生的氧气仅有0.145%。很明显在曲速引擎那种等级的星际旅行科技出现以前,我们不太可能运送大量的压缩氧气到火星上供人使用。所幸,被戏称为平均智商最高的组织NASA(CERN表示严正抗议……)在2014年7月,发表了将在2020年的火星探测车上,采用了 M.H. Hecht在麻省理工的团队所研发的《火星在地资源制氧实验 (The Mars Oxygen ISRU Experiment(MOXIE))》。

MOXIE的目的,是希望利用火星当地的资源,就能达到稳定的氧气产制。其原理,是利用固体氧化电解(solid oxide electrolysis, SOXE)的方式,在800-850°C的环境中,让二氧化碳通过scandia-stabilized zirconia (ScSZ)而与电子结合,分解成氧离子与一氧化碳分子。而氧离子可再与电子结合而氧化成氧原子,并与邻近的氧原子结合成氧气。


MOXIE制造氧气的电解装置示意图

MOXIE制造氧气的电解装置示意图

水也很重要,缺个三天就有机会在火星上发现木乃伊啰

很不幸的,火星的地表也实在不太友善,大部分的环境如沙漠般也很缺水。然而,近几年陆陆续续有直接与间接的证据发现火星上是有水的。例如2008年6月,凤凰号火星探测器首次发现火星的土壤中含有水。2013年9月,好奇号发现火星土壤的含水重量约为1.5% ~ 3%,有可能开发成水资源运用。而就在《绝地救援》上映的前夕,2015年9月28日,NASA更证实了火星表面有流动的盐水,这代表如果有合适的蒸馏设备,我们是可以直接从火星地表的盐水和土壤蒸馏出饮用水的。

而除了在地取材的水资源以外,过去太空计划也建立了很高效率的水资源回收系统。例如在国际太空站的净水系统,它会收集、过滤并蒸馏空气中的水分、污水与尿液,高达93%的水都会被回收再利用,这样高回收率若能与火星表面的水资源结合运用,对个人用水的需求就不需太担心。不过若是需要在火星上开始搞个「微农业」,这用水量恐怕又远大于个人生活用水了。但要怎么「制造」更多的水呢?或许,马克的主角威能让他回忆起中学时期化学课本一个简单不过的化学式:水分子H2O。

既然我们已经有了能凭空制造出氧气的MOXIE,这代表如果我们能再找到氢原子或含氢的化合物,就有机会让氢氧结合产生水。而马克所想到的方式,则是把火箭燃料拿来烧。在几种常见的火箭燃料中,像是俗称的肥料火箭是利用白糖混合硝酸盐;航天飞机利用液态氢;或是NASA的X-15试验机利用液态氨作为燃料。这些燃料都含有氢元素,而燃烧后的水蒸气,正是马可取得耕种用水的重要来源。


装置于国际太空站里的 NASA水回收系统。

装置于国际太空站里的 NASA水回收系统。

去火星只能吃土啊,不然要吃啥?

ㄜ……当然吃土的不是人啦,可以是一些植物或微生物嘛XD,接续着已经解决了水的问题后,如果要开始量产粮食,首先需要植物的种子、果实,当然具有发芽能力的马铃薯块茎也觉得是个好选项。然而,马铃薯含水量高不易长期储存,所以多数会做成加工食品后运输,或是透过放射线照射来抑制发芽、利用真空包装来避免发霉。但幸好剧中航天员们想要在火星上实做料理而准备了生马铃薯,放射线抑制发芽的一年有效期也可能被长时间的太空旅行消磨掉而保留了发芽的机会。

其次,土壤的成分与土壤内养分的循环也相当重要。2012年好奇号在火星上的探勘发现火星表土成分跟夏威夷火山的土壤雷同。然而土壤中扮演养分循环的微生物在火星上却完全不存在,但仍可利用航天员们不断累积的「堆肥」中取得。或是更乐观点想,如果刚好有要在太空中进行一些农业栽培实验,或是有航天员坚持要带个盆栽旅行的话,也许就有机会取得这些必要的微生物了。

不过,这一切的种植都无法在火星上「露天」进行。火星的地表温度为 -140°C ~ 30°C,但日夜温差可高达60度。平均气压只有7.5百帕,远小于地球的1013百帕,完全不利于任何生命存活,所以这都需要仰赖具气密加压效果的豪宅农舍才能让作物得以耕种。而室内耕种所需要的光源,则可以利用2012年起,国际太空站上正在进行的植物栽种系统,利用特定波长的LED来让植物进行光合作用。

你知道人类生存基本需求除了水、氧气和食物以外,还要有电源和网络吗? =w=

前面虽然提到了这么多方法,当然这一切都不是完全取于天地的「自然农法」可以搞出来的,都仰赖相当大比例的高科技技术。不管是制氧机、净水循环系统,甚至是在居住舱种植马铃薯的照明都仰赖着电力的供给。若要在火星上取得充足电力,目前只能依靠在地取材的太阳能发电,以及体积利于运送且能量密度极大的核能发电。

在火星上要依靠太阳能当然是绝对可行的,而且也会是最主要的电力来源,火星虽然离太阳比地球更远一些,平均日照强度大约是地球的43%。但火星的云层较少且薄,多是个艳阳这样的高照的好日子,非常适合太阳能的使用。然而,火星上落尘量庞大,会削减太阳能电池的效率,且沙尘暴滞留时间长也会使太阳能无法运作,例如2007年火星漫游者号就因遭遇长达一个多月的沙尘暴而被迫停机休眠;2014年欧洲太空总署探测彗星的菲莱登陆器(Philae)也因登陆地点误差无法照射到阳光,而进入长达7个月的休眠。

为了避免太空任务中太阳能的不确定性,电影中提到的「放射性同位素热电机(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG)」就成了一种稳定供电的轻巧选项。与核电厂所用的「核分裂」和梦想中的「核融合」原理完全不同,RTG是利用238Pu这样的放射性元素,在衰变成234U的过程中,会有560W/kg 的大量衰变热,这些衰变热可经由热电效应让温差转换为电压。在许多太空任务中,像是距离太阳较远的土星探测器卡西尼-惠更斯号、飞出太阳系的航海家一号。或是在前文中提到需要在高温环境下作业的MOXIE制氧机,都采用了这种发电方式。不过,要像马克先生把它用做暖炉的话……这也算是超越设计极限的使用者想象吧XD

左侧黑色平放的柱状物,是装设于新视野号上的放射性同位素热电机。

左侧黑色平放的柱状物,是装设于新视野号上的放射性同位素热电机。

当然,要真的存活下去,你还需要很多很多东西…..需要知识,更需要知识实践的能力;需要制定缜密计划的聪明脑袋,更需要抗拒独自一人的孤寂感;需要举国之力的科技奥援,也需要探索未知之境的运气。当然,更要忍受数百个每天只有不到半颗微波马铃薯果腹的饥饿日子。虽然对大多数人来说,我们终其一生也无缘涉足那遥远的蛮荒之地。但多装些科学知识在脑里,或许就能助你度过天灾人祸的急难困境。

解决问题的重要的技术突破,往往并不是按部就班直接得到的,而是藉由设定充满挑战的目标,激发出强大创新精神,燃起想象力和坚定的行动力,如催化剂般引起一系列的连锁反应而达成。无可置疑地,太空计划就扮演着这样的角色。

Significant progress in the solutions of technical problems is frequently made not by a direct approach, but by first setting a goal of high challenge which offers a strong motivation for innovative work, which fires the imagination and spurs men to expend their best efforts, and which acts as a catalyst by including chains of other reactions. Spaceflight without any doubt is playing exactly this role.

1970 马歇尔太空飞行中心科学副总监 Ernst Stuhlinger

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