人类移民火星之路——我们的征途是星辰大海

近日，好莱坞科幻大片《火星救援》在中国内地全线上映，出现了很多关于人类移民火星的探讨。那人类为什么要去火星？人类怎样在火星上生存下去？火星移民之路有什么挑战和困难？中国科学院国家天文台郑永春将为你揭秘。

　　地球人如何在火星上生存？正如贝爷拍摄的系列纪录片《荒野求生》被很多户外运动爱好者作为野外生存指南一样，由马特.达蒙主演的年度科幻大片《火星救援》以其丰富的科学内涵，在一定程度上可以作为人类登陆火星前的火星生存手册。《火星救援》由20世纪福克斯电影公司拍摄，上映一周就轻松登顶北美电影票房冠军，上映后的同期票房业绩与2013年的《地心引力》（5579万美元）相当，比去年上映的《星际穿越》（4751万美元）高出16%，并于近日正式登陆中国大陆院线。由于《火星救援》中加入了许多中国元素，可以预见上映后将在寒冷冬日掀起观影热潮。
　　一、剧透篇：业余太空迷成就火星人
　　1.业余太空迷写就科幻大作
　　影片《火星救援》根据安迪.威尔（Andy Weir）2012年出版的同名小说（The Martian）改编。台湾三采出版集团翻译出版了繁体中文版，书名为《火星任务》，大陆译林出版社引进出版了简体中文版。
　　作者安迪.威尔的正式工作是一名电脑程序员，也是一位业余的科幻作家。安迪?威尔是一位狂热的太空迷，他甚至利用专业特长，编写了一个专门用于计算从地球到火星旅行所需航行时间的程序。他曾经预测人类将在未来二三十年内登陆火星。
　　实际上，《火星救援》早在2009年就已经写作完成，安迪.威尔把这部小说放在自己的网站上连载，供人免费阅读。由于读者反响不错，他把小说放到亚马逊网络书店上出售，定价0.99美元，如此一来，喜欢该书的读者就可以在Kindle上方便地阅读。短短3个月《火星救援》就卖出了3500份，荣登亚马逊2014年科幻类畅销书榜首。更幸运的是，这部小说被好莱坞看中，拍成了同名电影，安迪.威尔也由此成名。
　　自出版起，《火星救援》经受了科幻迷、太空迷和专业人士的检验，得到众多好评。功勋航天员克里斯.哈得费尔德（Chris Hadfield）评价认为，作为一部科幻小说，故事讲得非常精彩，而且技术上有很高的准确性。

《火星救援》原著中文版，左：台湾三采公司繁体中文版，右：译林出版社简体中文版。

　　《火星救援》是一部3D科幻片，英文片名为《The Martian》，中文片名则五花八门，《火星任务》、《绝地求生》、《绝地救援》、《火星人》等等。若从书名直译，翻译成“火星人”也能接受，但考虑到影片的核心主题，翻译成“火星救援”更为合适。
　　执导《火星救援》的是好莱坞著名导演雷德利.斯科特（Ridley Scott），生于1937年的他曾经执导过《异形》（1979）、《银翼杀手》（1982）、《末路狂花》（1991）、《角斗士》（2000）、《普罗米修斯》（2012）等知名影片。斯科特执导的片子以画面感见长，画面精美，细节丰富，道具精致但又十分写实。
　　曾获奥斯卡最佳男主角的马特.达蒙（Matt Damon）领衔主演《火星救援》。达蒙也曾饰演《拯救大兵瑞恩》中的大兵瑞恩。影片中，主人翁被独自留在火星上，其他演员都围绕拯救他回到地球的故事展开，所以几乎成为马特.达蒙的独角戏。杰西卡.查斯坦、塞巴斯蒂安.斯坦、阿卡塞尔.亨涅和凯特.玛拉等众多明星联袂出演。
　　2.拯救太空大兵马克
　　《火星救援》的背景是美国国家航空航天局（NASA）在2030年实施的载人登陆火星任务。梅丽莎.刘易斯（由被称为好莱坞“劳模姐”的杰西卡.查斯坦饰演）担任火星考察队的领队，率领航天员乘组登陆火星表面。在执行任务的第六天，遭遇了突如其来的沙尘暴袭击。刘易斯当即决定提前结束任务，航天员乘组紧急撤离火星，返回地球。撤离过程中，航天员马克.沃特尼（Mark Watney）被狂风吹起的金属天线戳破了宇航服，身体受伤，宇航服开始漏气，服内压力逐渐下降。昏倒的马克与队友们失去联系。万幸的是，从马克身上伤口流出的血液在火星极低的气温下快速凝固，堵住了宇航服上的漏洞，马克得以保命。
　　当马克跌倒时，恰好压坏了安装在宇航服上的生命检测系统。队友们收到的信息显示马克已经罹难。由于天气十分恶劣，无法开展搜救，在紧急情况下，队友们不得不按照航天任务流程，立即撤离火星。
　　马克孤身一人被遗弃在火星上。此时，登陆舱已经被沙尘暴损毁、生存物资补给不足、眼前是一片荒凉而狂野的火星戈壁。面临重重困难、孤立无援的马克必须想方设法在火星上生存下去，并坚持到队友们来救他回地球。
　　马克先是包扎自己的伤口，然后利用火星定居点的储备物资，积极生产自救。他重新排布太阳能电池供电系统，清点食物，根据生存所需的最低热量需求，估算所能支撑的时间。他搭建了蔬菜大棚，用地球上带去的一小部分土壤与火星土壤和自己粪便混合，生产出有利于作物生长的、富含微生物的土壤，在火星上种起了土豆。他找到之前火星任务遗弃的探路者号火星车，利用火星车上的天线重新与地面取得联系，把自己仍然存活的信号传回地球。NASA立即组织世界各国的优秀科学家和工程师，与正在返回地球的航天员乘组密切合作，准备重返火星、拯救马克。
　　很显然，这是一部发生在太空中的美国西部片，是火星版的《荒野求生》，也是太空版的《拯救大兵瑞恩》。这部片子展现了人类集体的努力，以拯救马克回到地球，除了火星的恶劣环境外，没有人会阻止他回到地球，马克最终得以平安归来。
　　二、干货篇：火星生存之道
　　1.居住舱——火星上的家
　　居住舱是马克在火星上的家，也是电影中的主要场景之一。居住舱具有温度、湿度和空气调节功能，航天员在居住场内活动不需要穿着笨重的舱外宇航服，可以穿得和地面上一样。这是马克在火星上得以生存下来的重要保障，也是人类未来探索火星之前必须要解决的重要前提。
　　现实中，NASA在休斯敦的约翰逊航天中心建立了火星生存模拟系统，航天员在那里进行训练，为火星上的长期生存做准备。火星生存模拟系统拥有独立的生命保障系统，分为上下两层，包括起居间、工作站及模拟气闸舱。根据实验效果，目前这套系统还在进一步改进，以适应未来的火星表面生存和作业。

图2 航天员在火星表面开展地质考察，人与机器人的相互协作是必然需要

　　2.辐射防护——尚待解决的难题
　　《火星救援》中对火星辐射的描述相对较少，这非但不是火星上的辐射较弱，而是因为火星上的辐射太强，以至于至今还没有研发出适当的防护手段。
　　实际上，在载人前往火星的途中，航天员主要面临两类危害健康的辐射粒子：
　　一类是剂量较低，但长期存在的银河宇宙射线。能量高、穿透性强，很难防护，普通的飞船外壳基本上无法阻止它们，即使是30厘米厚的铝板，防护效果也极为有限，严重威胁航天员健康。
　　另一类是太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子，通常是指能量为数百兆电子伏特的质子，能量比银河宇宙射线的能量要低得多，持续时间较短，利用飞船外壳可以进行有效防护。预测未来的载人火星飞船很可能会配备一间“太阳风暴庇护所”，在太阳风暴发生时，航天员可以躲进庇护所，抵御来自太阳的高能粒子。
　　在载人登陆火星前，科学家希望了解火星上的辐射环境，以便为航天员设计有效的辐射防护系统。2011年11月26日发射的好奇号火星车搭载了一台辐射评估探测器（RAD），测量飞船内部的高能粒子辐射环境，目的是为未来载人火星旅行提供基础数据。根据2013年5月31日发表在《自然》杂志上的文章，按照RAD的测量数据，航天员在火星上接受的累计辐射剂量，相当于每星期接受一次全身CT扫描。
　　随着科技的进步，未来有可能会发现一些新型的轻质材料，或许会比铝板具有更好的防护效果。但即使找到这种新型防护材料，也只能降低部分辐射剂量，穿透防护材料的射线仍然会对人体健康产生危害。因此，防辐射是航天员登陆火星面临的重要难题。现实的选择是就位利用火星土壤，加入粘结剂固结成型，或用包装物填充火星土壤，一定厚度的土壤将可以有效地降低太空辐射对航天员的危害。

太阳系中充满了太阳风和宇宙射线等太空辐射，对人类和生命健康造成了很大威胁，因为地球磁场的防护，人类才得以在地球上长期生存

　　3．生命之基——再生水回收和氧气生产
　　水是生命之源，火星上的水资源实在太珍贵了，没有水航天员在火星上将完全无法生存。虽然水在太阳系中非常丰富，火星上也曾经有过大规模的水，以及许多河流和湖泊。但现在的火星上还没有找到可用的水源，NASA刚刚宣布发现的火星液态水也只是含有高氯酸盐的有毒卤水，分布在少数的火星撞击坑陡坡上。航天员火星生存所需的水仍是一个困难，因此再生水回收系统就变得非常重要。
　　影片中，聪明的马克每天计算自己所需摄入的热量（卡路里）和水，他不会浪费任何一滴水，在没有任何外来资源和地面救助的情况下，他研发了一套再生水回收系统，尽可能收集火星居住舱内的所有水气，让自己得以生存下去。
　　现实中，这样的再生水回收系统已经在国际空间站上得到了成功应用。在国际空间站，同样不会有任何一滴汗水、眼泪或尿液被浪费。这种新的净水系统被称为“水膜”，这种隔膜利用纳米技术和调节生物体水分的蛋白质技术，可以将汗液、尿液等废水转化为可饮用水。
　　利用这套再生水回收系统，国际空间站内收集的水分经过过滤、净化后循环利用。有位航天员曾经形象地说过，在国际空间站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。个中含义，想必你懂的，在纪录片荒野求生和地震救援中，很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其实，这一幕每天都在国际空间站上演……
　　除了住所、食物和水，在火星上生存还有一项重要的条件：氧气。火星上没有氧气，马克无法随意进行舱外活动，他必须随身携带氧气补给。月球生存未来所需的氧气或许要依靠钛铁矿和氢气的氧化还原反应生产水，然后用水来电解产生氧气。火星生存所需的氧气也来自于水的分解，以电解方式分离水分子中的氧气和氢气，这套制氧设备已经成功用于国际空间站。氧气释放到空气中用于维持生命，氢气则进入制水循环系统。

航天员正在展示国际空间站再生水回收系统的杰作—用各种废液生产的纯净

　　3．火星农场——改造火星土壤
　　《火星救援》中，航天员马克是一位植物学家，他被选中作为航天员登陆火星的原因是为了研究火星引力对植物生长的影响，并筛选可以在火星上存活的植物。
　　要想种植作物，首先需要培养土壤。火星土壤与地球土壤的物质组成基本相同，但是地球土壤里有微生物群落，某些特定的养分只能通过微生物来提供，而火星土壤中没有微生物。因此，马克带着少量的地球土壤和一把种子登陆火星，希望试验不同比例的火星土壤与地球土壤混合来种植作物。
　　但是，马克只带了一小盆地球土壤，以及地球上最顽强且最容易种植的作物种子——几种野草和羊齿草，只是为了把它们作为测试作物。
　　火星上没有有机物和微生物。影片中，马克把所有能找到的有机物收进厨余桶都储存起来。按照之前的任务设计，航天员的粪便经脱水、灭菌后装进密封袋里，再遗弃到火星表面。
　　但现在，这些粪便将发挥重要作用。马克甚至出舱捡回队友们之前遗留的完全脱水干燥的粪便，虽然这些粪便已经完全不含微生物了，但还有复杂的蛋白质。马克找了一个大容器，加水并加了一点自己的粪便，接种微生物后即可大量繁殖，味道越臭，表示微生物繁殖得越好。（温馨提示：有心理障碍者，观影前请做好心理准备）
　　仅有粪便作为肥料是不够的。地球土壤中有几十种不同的微生物，而火星土壤中没有。马克在粪便中加入火星土壤铺开，再加入一点地球土壤，让地球土壤中的微生物感染火星土壤，这些微生物至关重要，是作物生长的关键。一周之后，火星土壤就会被改造成充满微生物的地球土壤，支撑作物生长。每周被改造的土壤规模都会增加一倍。
　　这里我们需要做一个数学题：居住舱地面约有92平米，整个地面都铺上10厘米深的火星土壤，总共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住舱里，但实际上每次只能搬动0.1立方米的火星土壤。因此要建设一片92平米的火星土壤，马克需要进出压力舱92次。同时，要改造火星土壤，每立方米就需要40千克的水，建设一片92平米的菜园，需要368千克的水才可以。居住舱里拥有最先进的净水器，人类每天生存需要3千克水，每名航天员有50千克的水循环使用，所以居住舱共有300千克水可供使用。即使把所有水都用上的话，只能灌溉62.5平米的菜园。那么问题来了，怎样才能获得新的水源？被改造的62.5平米的土壤能种出多少食物？能否维持马克的生活呢？别着急，后面继续数学计算。

没有任何微生物的火星土壤

　　4．种植土豆——火星农业的试验田
　　《火星救援》中，马克把部分居住舱改造成了自体循环的小农场，靠种植土豆维生。为了拍好电影，剧组也真的在摄影棚内种了土豆，并完全任其自然生长，以模拟马克在火星上种植食物求生的场景。原著小说也有大部分内容详细介绍火星生存所需的农业种植技术。因此，种植农作物是太空探索和火星探测的重要项目。
　　马克从食品中寻找任何可以种植的作物，如豌豆、菜豆、土豆。要获取热量，最佳选择是种土豆。土豆可以大量繁殖，而且土豆也能提供相当不错的热量（每千克含有770卡路里的热量）。
　　“我很确定我手上的这批是可以发芽的土豆，问题是我没办法种出足够数量。”
　　好吧！继续我们的数学题。在62平米的菜园里，400天可以种出150千克的土豆（食物吃光的期限），有11.55万卡路里的热量，每天可以提供288卡路里。但以马克的身高和体重，即使稍稍饿点肚子，每天也需要1500卡路里的热量。要维持生计，实在还差的太远。
　　如果光靠土豆，只能支撑多少天呢？76天！幸运的是，土豆可以重复收获，76天里面还可以再种出2.2万卡路里的土豆，还可以供应15天。因此，马克在火星上生存的时间可以从400个火星日延长至490个火星日。但他需要活到第1412天，才可以等到救援。因此，至少还缺1000天的食物，那么马克又是如何解决食物问题的呢？
　　在国际空间站上，航天员通过定时的货物补给获得丰富的食品和生活设施。就在今年，国际空间站已经成功栽培出新鲜的蔬菜。在空间站上，蔬菜属于极具开发潜力的新鲜食材，只要用有色光线控制，蔬菜就会乖乖生长，按时供航天员食用。其中生菜是最容易种植的蔬菜品种。
　　但在6500万千米外的火星，马克必须实现自给自足。因为即使地面马上发射飞船，最快也要9个月后才能把食品送到火星上。因此，需要筛选适应火星环境的作物种类，在火星上种植作物，不仅可以确保未来登陆火星的航天员能够满足营养需求，还可以大大减轻需要从地球上运送的物资重量，显著降低载人登陆火星的技术风险和经费成本。

马克和他的火星农场，他正在测量土豆的长势。马克身边的是自制的用火箭燃料N2H2生产水的装置

　　5．模拟试验场——地球上的“火星基地”
　　《火星救援》原本计在澳大利亚拍摄，但被当地政府拒绝。后来只能选择在匈牙利首都布达佩斯拍摄，因为当地拥有世界上最大最高的摄影棚之一。
　　影片中壮丽的“火星表面”场景，是在约旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆（Wadirum）取景的，最终的效果由实景拍摄加上CG技术共同完成，让观众真假难辨。CG技术是指影片本身在真实场景中拍摄并由真人表演为主，但穿插应用了大量虚拟场景、角色、事物、特效等对象。瓦迪拉姆沙漠寸草不生，除蓝天白云提醒我们仍在地球上外，空旷无垠，满地红沙，恍如真的游历在火星表面。

约旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆是火星救援的取景地（图片：山水与共博客）

图3 科学家在犹他州沙漠中找到了类似火星表面的模拟试验场，设立了火星沙漠观测站，让航天员在在火星模拟场景中开展模拟生存、地质考察、植物栽培等（©Jim Urquhart/Reuters）

　　为训练航天员和研发载人登陆火星的相关技术，科学家在美国犹他州的沙漠和非洲摩洛哥的撒哈拉沙漠北部也都找到了火星表面的模拟场景，并设立观测站开展长期观测和研究。
　　在漫长的飞行旅途以及火星生存过程中，如何缓解心理孤独是一大问题。影片中，马克在火星上生存的整个过程中，都十分清醒而镇定，展现了一个航天员的优秀品质。如果换成是普通人，一旦知道自己没赶上回地球的飞船估计就已崩溃。马克却表现出异于常人的冷静和坚韧，救治伤口、清点食物、计算每日所需、建设火星农场、培育土壤、种植作物，一切安排都井然有序，有条不紊。
　　偌大的火星上，只有孤零零的一个人。
　　种地之余，马克想方设法自己找乐，他有时坐在山丘上沉思，有时面对摄像头促膝谈心。此时，他想到的不是如何从火星上逃回地球，不像荒岛上的鲁滨逊等待海面上的大船，因为从火星上逃回地球和碰到有人路过的可能性都不存在。马克首先想到的是生产自救，在火星上活下去。这个被遗弃在火星上的航天员由此在陌生的红色行星上拓荒，就像牛仔拓荒美国西部一样。
　　三、期待篇：中国太空大片何时到来
　　从《地心引力》，到《星际穿越》，再到《火星救援》，好莱坞一年一部太空科幻片的节奏，每一部都表现不俗。这些太空科幻片宣扬了美国人的探索精神，输出了美国文化的影响力，片商们更是赚足了银子。
　　反观国内电影界，数量庞大的科幻迷们，翘首以待这么多年，何时才能看到硬科幻的太空大片呢？除了宫斗、神剧之外，中国太空大片何时才能实现零的突破？
　　太空科幻片既具有显著的商业价值，又满足了人类的好奇心，传播了探索未知世界的科学精神。拍摄太空大片仅有强大的特技制作能力是远远不够的，特别需要天文和行星科学家、航天工程师们的深度参与，才能使每一个细节都不违背科学常识，每一项技术是基于现有技术能力的合理拓展，而这恰恰是太空大片拍摄的难点所在。好在有消息称，《三体》已经开始进行影片制作，期待能够尽快填补空白。
　　极其紧迫的情况下，为了拯救遗弃在火星上的失联航天员马克，NASA飞越大洋找中国航天局寻求支持。美国货物补给火箭发射失败，飞往火星的航天员们面临饿死的风险。此时中国的“太阳神”（其实太阳神就是阿波罗，中国火箭当然不会用这个名称）重型火箭已经完工，正好准备发射。美国人承诺未来同样会给中国载人登陆火星计划提供帮助，以此作为交换条件，用中国的太阳神火箭，把食物补给运送给航天员乘组。
　　火星的自然环境与地球最相似，是太阳系中唯一经改造后适合人类长期居住的天体。我们在20世纪实现了载人登陆月球，人类第一次有能力登陆地球之外的另一个天体；21世纪的上半叶，人类将实现登陆火星的梦想，这将是人类航天史上最重要、最复杂的太空计划，将对人类的未来产生深远影响。
　　美、俄、欧等航天大国很早就开始酝酿载人登陆火星的计划，由于政治、技术、经费等原因，一直未能付诸实施。当前，载人航天技术，特别是重型运载火箭和新一代载人飞船的性能有了显著提升，载人登陆火星不再是纸上谈兵，甚至包括SpaceX在内的一些民营航天企业也将载人登陆火星作为长远发展目标。作为深空探测的后起之秀，面对世界航天发展的新形势，中国也正在积极规划自主火星探测，以图在人类探索太阳系的征程中做出与大国地位相适应的贡献。
　　载人登陆火星的宏大目标已经成为全人类的共同梦想。然而，人类探索火星的道路将充满挑战，但这种挑战和冒险精神，才是人类社会蓬勃发展的原生动力。基于对科学发展战略的认识，我们不妨作一个大胆的预测，人类将在未来20年（2035年）左右首次登陆火星表面，航天员乘组很可能是多国合作的“联合国际”航天员。实现载人登陆火星后，长远将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。因此从某种程度而言，《火星救援》并非科幻，而是展现了二十年后的现实世界。

人类登陆火星的梦想并非遥不可及，预计未来20年左右即将成为现实。