科普：《火星救援》中9項真實的NASA科技

數千年以來，火星都是人類想像力與文化的中心。古人驚奇於它火紅的色彩以及亮度多年的消長周期。早期的望遠鏡觀測讓某些人猜測，這顆行星的表面覆蓋著運河，其上的居民用它們來從事交通和貿易。在《世界大戰》中，作家Ｈ·Ｇ·威爾斯（Ｈ．Ｇ．Ｗｅｌｌｓ）假想出了一個試圖征服地球的火星文明。１９３８年，奧爾森·韋爾斯（ＯｒｓｏｎＷｅｌｌｅｓ）讓聽眾以為他們聽到的是新聞廣播，而非威爾斯小說的電台改編，從而引發了恐慌。

人類和火星的真實故事有些更加平淡，但吸引力絲毫不遜色。望遠鏡將天空中的紅色亮點變作模糊的斑駁圓面，引發了火星運河的白日夢。僅僅５０年前，由飛掠探測器拍攝的第一張火星照片看上去展示了多霾的大氣。現在對火星幾十年的空間探測說明，這是一個曾經擁有開放水體的星球，而水是生命必要的組分之一。

哪怕在互聯網時代，火星的吸引力也並未退去。前計算機程序員安迪·韋爾（ＡｎｄｙＷｅｉｒ）樂於寫作，並將虛構作品發布在他的博客上。他開始撰寫一部系列作品，講述一名受困於火星的ＮＡＳＡ宇航員的故事。由於作品廣受歡迎，他最終將其寫成了一部成功的小說《火星救援》，隨後它被改編為電影，並將於２０１５年１０月上映（譯註：本片將於２０１５年１１月在中國上映）。

《火星救援》結合了關於火星的幻想和事實，以ＮＡＳＡ以及其他機構業已進行過的火星探測為基礎，並將時間後推到了２１世紀３０年代。那時ＮＡＳＡ的宇航員將定期前往火星，並生活在火星表面上進行探索。雖然片中的故事發生在未來２０年之後，但ＮＡＳＡ已經在開發片中出現的很多技術了。

居住區

在火星表面上，瓦特尼（Ｗａｔｎｅｙ）在居住區模塊（簡稱Ｈａｂ）中停留了很多時間。這裡是他遠離家園的家園。未來在火星著陸的宇航員將需要這樣的家園，這樣才不致於在火星上每天裹著宇航服躺在塵土中度日。

在ＮＡＳＡ的約翰遜航天中心，宇航員正在載人探測研究模擬設施（ＨＥＲＡ）中接受長期深空探測任務的訓練。

上：在《火星救援》影片中，載人火星探測的實施離不開人工居住區（Ｈａｂ）。下：ＮＡＳＡ約翰遜航天中心的載人探測研究模擬設施（ＨＥＲＡ）。（圖片提供：ＴｗｅｎｔｉｅｔｈＣｅｎｔｕｒｙＦｏｘ／ＮＡＳＡ）

ＨＥＲＡ是模擬深空居住區的自控環境。這座兩層樓高的居住區包括起居間、工作間、衛生模塊和模擬氣密艙。在模塊中，待測試者要執行操作任務、完成載荷目標，並在一起生活１４天（根據計劃，這一時間很快將延長到最多６０天），模擬未來在與世隔絕的環境下進行的任務。宇航員最近使用這一設施模擬了國際空間站的任務。這些模擬研究提供了人體參數、行為健康及其對策的寶貴數據，幫助ＮＡＳＡ增進對執行深空任務的了解。

植物農場

今天，國際空間站上的宇航員擁有大量經由貨運補給飛船（其中包括一些來自商業企業的飛船）帶來的食物。在火星上，宇航員就不能依賴地球的補給飛船了——最快的貨運航線至少也要花費９個月的時間。為了在火星上生存下去，他們需要持續的食物來源。他們需要自己種植作物。

上：在《火星救援》中，宇航員馬克·瓦特尼（ＭａｒｋＷａｔｎｅｙ）藉助一些靈巧的手段，在火星上種植作物。下：真正的ＮＡＳＡ宇航員謝爾·林格倫（ＫｊｅｌｌＬｉｎｄｇｒｅｎ）在國際空間站上收穫蔬菜（Ｖｅｇｇｉｅ）實驗生長出的萵苣。（圖片提供：ＰｅｔｅｒＭｏｕｎｔａｉｎ／ＮＡＳＡ）

在《火星救援》中，瓦特尼將居住區變成了自持的農場，將土豆變成了火星上的主食。今天在地球低軌道上，萵苣是太空中最充足的作物。在國際空間站上，蔬菜實驗是一種可部署的新鮮食物生產系統。蔬菜實驗使用紅、藍、綠三色光線，幫助在枕頭包（有著毛細表面的小包，內里含有種植介質以及肥料）上種植植物，宇航員可以將這些植物收穫。２０１４年，宇航員使用這一系統種出了紅葉萵苣「Ｏｕｔｒｅｄｇｅｏｕｓ」，並且最近剛剛為這些在太空種植的作物采了樣。這是航天農業的一大步，ＮＡＳＡ期待著擴充作物的數量和種類，幫助滿足未來火星宇航員的營養需求。

水分提取

火星表面不存在湖泊、河流或海洋，從地球上運輸水分需要花費９個月以上。因此火星宇航員必須要自行解決供水問題。在火星上，阿瑞斯３號（Ａｒｅｓ３）機組成員藉助水分回收裝置，沒有浪費一滴水分，而瓦特尼需要憑藉自己的聰明才智想出一些古怪的方法，保證自己不脫水，並在紅色行星上生存下去。

在國際空間站上，沒有一滴汗水、淚液甚至是尿液會被浪費掉。環境控制與生命保障系統從各處回收利用著水分：洗手池、口腔衛生，還有其他水源。通過水分再生系統（ＷＲＳ），水分得到了回收和過濾，可以用於飲用。一名宇航員如是指出：「昨天喝下的咖啡變成了明天要喝的咖啡。」

在太空中，液體會帶來一些微妙的問題。ＷＲＳ與相關係統必須要考慮這樣一個事實：在微重力環境下，液體的行為存在很大差異。ＷＲＳ用於處理尿液的部分必須使用離心機來進行凈化工作，原因是在太空中，氣體也液體並不會像地球上那樣分離開來。

ＮＡＳＡ在繼續開發水分提取的新技術。正在進行中的研究旨在將可拋棄式多重過濾層（也就是移除無機物以及非揮發性有機物污染物的過濾裝置）變成系統中更持久的部分。鹹水的回收可以收集尿液凈化過程剩下的「底層產品」中每一滴水分。對於未來的載人航天任務來說，機組成員可以不那麼依賴來自地球的富餘零件和額外的水分了。

這套系統背後的科技已經被帶到了地球上，為偏僻地區以及遭遇自然災害的地方提供乾淨的飲用水。

製造氧氣

食物、水分、庇護所，這是在地球上生存的三大必需條件。但是還有第４個我們沒有考慮太多的必需因素，原因是它可以自由獲取——氧氣。在火星上，瓦特尼無法外出呼吸新鮮空氣。為了生存下去，他走到哪裡都要攜帶自己的氧氣供應。但是首先他需要製造出氧氣來。在居住區中，他使用的是「制氧機」，這套系統可以使用ＭＡＣ（火星上升艙）燃料發電機產生的二氧化碳來生成氧氣。

在國際空間站上，美俄宇航員使用的是氧氣生成系統，它可以重新處理空間站中的空氣，長期持續有效地提供可供呼吸的空氣。這套系統經由電解過程生成氧氣，在這一過程中，水分子被瓦解為氫氧原子。氧被釋放到大氣中，氫要麼被拋棄到太空中，要麼被充入薩巴蒂埃（Ｓａｂａｔｉｅｒ）系統，後者可以利用空間站大氣殘存的副產品生成水分。

通過改進水分和氧氣使用效率的半閉環系統，氧氣的生成速率更為充裕。ＮＡＳＡ正在致力於從大氣副產品中回收更多的氧氣，以為前往火星的旅途做準備。

火星宇航服

火星表面並不太適宜人類居住。這裡的大氣溫度很低，幾乎沒有任何可供呼吸的空氣。探索火星表面的宇航員必須要穿上宇航服，才能在居住區之外採集樣本或維護系統時生存下來。

上：演員馬特·達蒙（ＭａｔｔＤａｍｏｎ）在《火星救援》中扮演ＮＡＳＡ的宇航員馬克·瓦特尼。下：ＮＡＳＡ邀請公眾為Ｚ－２原型宇航服的三種外觀設計投票，這是ＮＡＳＡ先進宇航服研發項目的下一步。（圖片提供：ＧｉｌｅｓＫｅｙｔｅ／ＮＡＳＡ）

在相當一部分火星日中，馬克·瓦特尼都是穿著宇航服工作的。最後他不得不在火星表面上進行一些長途跋涉，因此他的宇航服必須要靈活、舒適且可靠。

ＮＡＳＡ當前正在開發火星宇航服所需的技術。火星地表漫步到採集岩石樣本，工程師考慮了所有的因素。

Ｚ－２計劃以及原型探測服是ＮＡＳＡ新的原型宇航服，它們幫助解決了促進新技術發展所面臨的獨特問題，這些技術有朝一日會被第一批登陸火星的人類穿在身上。這兩種宇航服的目的是要辨認完成任務所需的技術空白點，也就是宇航服可能會遺漏的因素。宇航服工程師探索了硬質合成材料以及布料之間的妥協，以圖尋找耐久性和靈活性之間的平衡點。

在火星上行走的一大挑戰是應付塵埃。在火星行走過後，如果紅色的土壤被帶入了航天器內，它們可能會影響宇航員與系統。為了克服這一點，新式宇航服設計在背部設有一個開口，這樣宇航員可以迅速從航天器內部跳入宇航服中，而宇航服仍舊放在艙外，這樣就保證了艙內的清潔

火星車

當人類登陸火星之後，他們必須要在那裡停留超過一年的時間，才能等到火星運行到合適的位置，讓返回地球的航程縮到最短。這為宇航員留下了大量的時間進行實驗並探索周邊地區，但是他們並不希望局限在步行可及的範圍內。宇航員將使用強勁可靠的多功能火星車，行動到更遠的地方。

上：火星上升艙（ＭＡＶ）是《火星救援》影片中在紅色行星上漫步的關鍵方式。下：ＮＡＳＡ當前正在研製一種火星車，可以籍由多任務航天探測車（ＭＭＳＥＶ）在崎嶇地錶行駛。（圖片提供：ＧｉｌｅｓＫｅｙｔｅ／ＮＡＳＡ）

在《火星救援》影片中，瓦特尼開著他的火星車兜了好幾圈，最終要憑藉一些非正統的改造來改裝火星車，幫助他生存下來。

今天，在地球上，ＮＡＳＡ正在使用多任務航天探測車（ＭＭＳＥＶ）準備每一次遭遇。ＭＭＳＥＶ曾被用於ＮＡＳＡ的模擬任務計劃，幫助解決該機構業已認識到的問題，並揭露可能隱藏的其他一些問題。這項技術的開發目標是要足以應付各種情況，可以在未來支援在小行星、火星及其衛星上執行的任務以及其他計劃。ＮＡＳＡ的ＭＭＳＥＶ已經幫助解決了行駛範圍、快速進出和輻射防護問題。這種車輛的一些版本擁有６隻萬向輪，以保證機動性。在一隻車胎漏氣的情況下，車輛只需抬起損壞的車輪，就可以繼續行駛。

離子推進技術

緩慢而持續的力量可以贏得賽跑，離子推進技術就證實了這一點。

在《火星救援》中，在前往紅色星球並返回期間，阿瑞斯３號機組在赫爾墨斯飛船中生活了幾個月。這艘飛船使用離子推進技術作為一種有效的手段，在太空中駛過了超過２．８億英里。離子推進是通過向氣體（如氬氣或氙氣）通電，並將離子高速（時速約為２０萬英里）排出而發揮作用的。航天器體驗到的作用力與輕柔的微風相近，但會連續數年持續加速，最終可以獲得顯著的速度。離子推進技術還可以讓航天器多次變軌，隨後離開一個星球，前往另一個遙遠的世界。

黎明號探測器正在造訪灶神星和穀神星這兩顆小行星，而ＮＡＳＡ的格倫中心正在為未來的任務開發新一代離子推進引擎。ＮＡＳＡ的演進氙離子推進器（ＮＥＸＴ）計劃研製了一台７千瓦功率的粒子推進器，可以提供未來所需的推力。（圖片提供：ＮＡＳＡ）

這項技術讓ＮＡＳＡ的黎明號探測器等當代航天器將燃料消耗減至最小，並實現了一些瘋狂的機動。黎明號完成了超過５年的持續加速，總的速度變化約為每小時２５０００英里，這一數字比任何其他航天器依賴自身推進系統所完成的更高。它沿途第一次造訪了矮行星穀神星與小行星灶神星。

太陽能電池板

火星上可沒有加油站，也沒有發電站，實際上也不存在風力。當進行載人火星探測時，太陽能可以讓宇航員行進很遠。小說中的赫爾墨斯飛船使用太陽能電池板作為能源，而馬克·瓦特尼也通過一些有悖常規的方式使用太陽能電池板，以在火星上存活下來。

國際空間站的太陽能電池板。（圖片提供：ＮＡＳＡ）

在國際空間站上，４組太陽能電池板可以產生８４到１２０瓦特的電力，足以供應４０戶家庭使用。空間站並不需要所有這些電力，不過富餘的電力可以幫助減輕電池板失靈帶來的風險。空間站上的太陽能發電系統非常可靠，自２０００年空間站迎來首批居民之後，它一直安全地提供著電力。

ＮＡＳＡ將使用獵戶座飛船讓人類前往更遠的深空。它將使用太陽能電池板來為未來的任務供電。這些電池板在受到日照時，將為飛船上的鋰離子電池充電。在不具備日照時（舉例來說，如果獵戶座飛到了月球背面），飛船上還將保留大量的電力供其運轉。

ＲＴＧ

４０多年來，ＮＡＳＡ一直在安全地使用著放射性同位素熱電發生機（ＲＴＧ），為２４個航天任務提供電力，這其中包括前往月球的阿波羅計劃。好奇號火星車以及即將發射的火星２０２０火星車等航天器使用改進後的新一代ＲＴＧ供電。

ＲＴＧ是「太空電池」，可以將鈈－２３８放射性自然衰變產生的熱量轉化為可靠的電力。好奇號的ＲＴＧ系統可以產生１１０瓦特以下的電力，這一數字比一隻普通燈泡的功率略高。

在《火星救援》中，機組將火星上升艙的鈈基ＲＴＧ電源埋在了遠離居住區的地方，以防輻射泄漏。如影片所述，為了避免泄漏，鈈－２３８包裹著數層強勁的先進材料，在發生嚴重事故時都不會讓放射性元素釋放出去。ＲＴＧ主要會發出α輻射，而在空氣中，α輻射只能傳播數英寸，也不會穿透服裝或人體的皮膚。只有當放射性元素瓦解為細密的顆粒或發生蒸發，並被人體吸收或攝入之後，它才會影響人體健康。這種同位素是以陶瓷形式生產的，因此不太可能被偶然吸入或攝入，尤其是在沒有溶解在液體中的時候。

在實際中，火星上的天然輻射環境要比ＲＴＧ所能產生的輻射更加極端。從太空落到火星地表的電離輻射對人體健康的損害要大得多。當前的火星探測器正在分析火星輻射環境，這樣任務規劃者可以為未來的宇航員設計出防護系統。

未來的探險家在抵達目標之前，需要確保可靠且持久的能源以供生存。供電系統的選擇可能是更有效的放射性同位素髮電系統、太陽能電池板、燃料電池以及核裂變的混合體。

前往火星的旅程

載人航天是危險的事業。ＮＡＳＡ正在致力於在２１世紀３０年代讓人類登上火星，但是為了保證宇航員能夠平安返回地球，還有很多里程碑要完成。當前在國際空間站上執行一年任務的宇航員斯科特·凱利（ＳｃｏｔｔＫｅｌｌｙ）絕對正確地指出：太空很艱苦。對於航天的每個方面來說，錯誤的餘地實際上都是零。然而我們在前往火星的旅程中可以了解太多東西，讓我們更好地認識宇宙，而期間我們所做所學的一切都會在地球上造福人類。

來源：天之文

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