為什麼我們上得了天，卻很難進入深空探索？

W Yao，太空生存法則探究

首先祝賀天宮二號發射成功。我們終於建立了自己的空間實驗室，航天員將能夠在近地軌道工作和生活 30 天，開展一定規模的科學研究。再過幾年，我們就將擁有自己的空間站了。

今天恰逢中秋。仰望明月，我們不禁想，有沒有可能真正在月球建造「廣寒宮」呢？或者更遠，人類有沒有可能登陸火星呢？實際上，這些夢想可能會在不遠的將來變成現實。比如，我國的科學家們正在論證思考載人登月的可行性[1]，美國從布希政府提出的「重返月球計劃」也早已切換到奧巴馬政府更加具有野心的「載人火星計劃」（圖 1）。今年，一些航天公司也來湊熱鬧。5 月 23 日，洛克希德馬丁公司透露，將在 2028 年前發射一艘命名為「火星大本營」的載人飛船搭載 6 名宇航員於 2028 年進入環火星軌道[2](鏈接有震撼視頻)。6 月 2 日，艾倫 - 馬斯克宣布，SpaceX 將於 2024 年開始執行載人火星登陸計劃，並將在 2025 年到達火星[3]。月球已被納入地球經濟圈，美國政府首開先河，批准私營公司開展登月活動[4]。且不說月球是否能開採到有用的資源，美國政府的鼓勵是否會掀起月球圈地運動？不管怎樣，隨著人類文明發展和科技進步，人類的探索疆域逐步向海洋、大氣、近地軌道甚至月球拓展。二十一世紀，人類將有望實現地外移民，小行星、火星等地外星體將留下人類的足跡。正如航海時代創造的奇蹟一樣，載人深空探索將會創造人類發展史的下一個奇蹟。

圖 1 NASA 的載人深空探索路線圖（摘自 NASA）

言歸正傳，面對一個遙遠的、存在眾多未知因素的星球，載人深空探索會面臨一系列前所未有的技術挑戰，包括剛才前幾位討論者提到的動力推進技術、進入著陸技術、再生式環控生保技術、航天員的生理心理問題、長期失重問題等等。我想再從人類在地外星球生存與發展面臨的根本問題，跟大家進一步探討可能涉及的技術。我們知道，航天員平均每天要消耗約 0.9kg 的氧氣，並排出大約 1kg 左右的二氧化碳，並且每天需要飲用大約 2.5kg 的水，食用約 0.6kg 的食物，還需保持合適的溫濕度環境。以載人火星探測為例，為保障最小乘員組（假定 6 人）一個任務周期（假定 2 年）長期生存的基本物資需求約 18 噸，也難怪 NASA 曾設計出一個重達 400 噸的「火星船」。因此，若人類想真正實現地外生存，則必須要擺脫對地球母親的依賴，充分利用原位資源，就地取材，滿足自身需求。因此，美國 NASA 最新發布的載人探索技術路線圖的核心就是原位資源利用（ISRU），包括原位資源的探測、提取與利用。事實上，通過利用原位資源，將大大減少必須從地球攜帶的物資，因此將會大大降低航天任務的成本。原位資源利用是人類「脫離地球的生存能力」。對火星移民者來說，火星上兩種潛在的資源，即大氣中的二氧化碳和淺表土壤中的水，是生存與發展的基礎。有證據顯示火星淺表廣泛存在水，即使在赤道區域也是如此。如果這些水可提取，這不僅可為人類提供飲用水，而且將可製備氫和氧。但這種形式的原位資源利用其主要難點不在於方法本身，而在於淺表水資源的勘探。這需要利用氣球、飛機或滑翔機、著陸器、軌道器等多種平台攜帶探測儀器進行大範圍淺表觀測。在獲取了氫資源的基礎上，還可以利用火星大氣的二氧化碳與氫反應生產甲烷和氧氣，為返回地球提供推進燃料。另外，火星移民者還需利用土壤資源生產建築材料、提取金屬材料，進行基地建設和工業生產。這可能需要突破顆粒輸運、分離，激光 / 微波加熱、化學處理萃取、3D 列印原位製造等技術，感覺像需要建一系列工廠啊。

最後，還需強調的是（NASA 的路線圖有點忽略啊），以上的一切一切都需要能源啊！因此，原位的能源收集與轉換也是非常重要的，這也是我們團隊研究的重點方向之一。火星上可原位獲取的能源形式主要包括太陽能和風能，月球上可能只有太陽能是可以直接獲取的。但是，和無人探測器相比，有人地外基地的能源需求(電能 + 熱能)要大的多。月夜和火夜無法獲取太陽能時，無人探測器採用的同位素電源區區數十瓦，最多上百瓦的能量對載人系統來說根本不夠用。靠化學儲能電池的話需要數噸的重量，但這都需要從地球提供。因此，利用地外天體土壤儲能也是原位資源利用的一種重要方式。

我們再次反觀地球，我們賴以生存的家園。正如著名經濟學家鮑爾丁（Kenneth E. Boulding）所形容的「地球就是太空船」，人類唯一賴以生存的地球僅僅是茫茫無垠的太空中一艘小小的飛船。人口和經濟的不斷增長將使我們人類面臨與載人深空探索一樣「有限資源的窘境」。只有可持續的能源與資源利用，才能使我們的地球飛船足夠容納我們大家。

參考資料鏈接

深空探測如何解決空間輻射問題？ZX Huo，核專業博士，研究空間天文技術，業餘段子手，特貧研究猿

空間輻射防護方面我知道些零星的皮毛，嘗試回答一下。

航天器由空間輻射環境造成的故障中，充放電造成的比例是 70%，輻射損傷和粒子翻轉占的比例相對較小。而低地球軌道不考慮充放電，所以題主說的深空探測，主要就是考慮充放電，以及輻射損傷和單粒子翻轉。

先說充放電。宇宙空間中充滿了等離子體，比如太陽風、地球磁層等等，等離子體帶電荷，又是良好導體，因此就會與航天器相互作用，使得航天器表面充放電，或者太陽能帆板供電泄露，甚至出現弧光放電等等。具體來說，帶電粒子與航天器相互作用時，使得電荷在航天器表面積累，航天器局部出現電壓，電壓如果超過特定的閾值，就會引起非預期的放電，可能導致設備故障甚至損壞。

對空間充放電的防護措施，首先是任務層面的，然後才是技術層面的。

先對任務進行分析，對飛行區域進行建模，研究是否有產生空間充放電效應的可能對航天器進行分析，定位敏感部組件如果可能，優化飛行程序，走安全的軌道航天器外面包裹導電的鋁箔，讓充放電都沿著鋁箔進行；內部敏感元器件裝到法拉第籠子里

所以，我們看到的衛星、探測器，常常是金光閃閃的，那是為了防範空間充放電而包裹上的鋁箔。當然，鋁箔還有別的用處，比如用來做被動的隔熱。

再說輻射損傷。主要是空間環境高能射線（例如宇宙射線）中能量較高的質子、氦核等原子核，與航天器物質的發生反應。比如高能粒子可以敲掉航天器材料的化學鍵，改變材料特性，或者直接與航天器物質發生原子核反應，引起核嬗變（從一種原子核變成另一種原子核，比如氮 14 被高能氦核砸一下，變成放射性的氧 17 以及一個質子）。

輻射損傷的防護就是用屏蔽層。一般來說，原子序數高的材料屏蔽效果好。而屏蔽層越厚，高能粒子穿透屏蔽層的幾率越小。

最後說單粒子翻轉。我們都知道，集成電路中的存儲器靠電荷數來存儲布爾數或者整數。當宇宙射線或者其他高能粒子穿透了航天器的外層材料，恰好打中集成電路的敏感區域，有可能造成電荷數錯誤，進而導致數字電路出錯。這種故障和上面兩種不一樣，上面的故障是永久性的，而這裡的單粒子翻轉更像是軟體的 Bug。讀出速度越快、存儲電荷深度越小的器件對這種錯誤越是脆弱。而且這種錯誤是偶發的，對一個器件同時發生兩次事例的幾率幾乎可以忽略。因此，防範單粒子翻轉的方法就是優化電路設計，比如加入校驗、降低讀出速度、增加深度（類似數碼相機的 CMOS，像素越大信噪比越好）等等。

綜上所述，空間輻射防護有成熟的技術。要素是：1、對輻射環境建模；2、定位輻射過程和敏感部件；3、設計防護方法。

但不管是增加鋁箔、法拉第籠子、屏蔽層，還是使用抗單粒子翻轉的電路，都是要增加成本的（航天器體積越做越大、重量增加）。所以最終的效果是成本增加、風險下降，所以最後也是一筆投入產出的賬。

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