火星改造计划:这种材料,可以让火星变身宜居星球?

 

通过全新的硅气凝胶系统,我们或许可能移居到火星。...

科罗廖夫撞击坑(Korolev crater)位于火星北部,是一个完全由冰,覆盖的撞击坑,直径为50.6米。图片由欧洲空间局(ESA)的火星快车号(Mars Express)拍摄。

撰文 | 罗宾·沃兹沃思(Robin Wordsworth)

翻译 | 高宏

在行星科学领域,有一个近乎公开的秘密:大部分研究人员最初加入,这个领域,是受到了美国科幻作家金·斯坦利·罗宾逊(Kim Stanley 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,我注意到书中一些,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,我们使用了一种全新的硅气凝胶,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),而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,可能可以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,将能前进了一大步。

而火星改造的最大障碍将是“行星保护”:任何试图将转移生命到,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了一个在未来几十年,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。

本文作者:罗宾·沃兹沃思是哈佛大学环境科学,和工程学的副教授。

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。


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