火星情节

自从伽利略第一次将望远镜对准火星，似乎看见火星上星罗棋布的河道，西方人就开始幻想火星人，火星文明。这些年，美国航空航天局的火星探测器传回来大量精美的火星表面照片，大大增加了人类对火星的了解，让火星看起来触手可及。大概因为火星看起来太像地球了，很多人自然地认为我们应该赶紧移民火星。

那么从技术上来说，几年内将人类送往火星，建立殖民点的可能性有多大呢？狂人马斯克本人对此颇有信心。本来他的计划是2024年将首批人类送往火星。最新的消息是，他觉得“非常有信心”2026年成行。2023年计划安排一次围绕月球的太空旅游。今年正在密集测试用来飞往火星的飞船，星舰(Starship)。

SpaceX公司火星计划宣传图(SpaceX.com)

与多数人的看法不同，我认为星球开发的第一目标是月球，其次也不是火星，而是水星。但现阶段，把人送往火星，过一年半之后，再飞回来，的确不是特别难以想象。当然，月球仍然是最容易的。现阶段，大家趋向于将外星殖民理解为，让人类像在地球上一样生存，也就是在地表建设城市，种植植物。如果是这样，火星的确是第一选择，并且也不是非常困难。

但是，我们仍然需要注意，技术难度仍然非常大，许多传说中的技术未必有用。我们先来看有利因素。

有利因素

昼夜长短：与地球接近。很多人看重这一点。日照时间长，阳光比较丰富，因为基本没有云，不会像地球一样有阴天，但是会有沙尘暴。

温度：不会太热，其它近期可以到达的星球都会很热。一天最高温度是人类感到舒适的温度，摄氏20°左右。虽然夜间温度很低，但保温相对容易，就算有风也没有关系。

有大气：近期可以开发的星球中，火星是唯一有大气的，这也是人们看重的一个理由。大气对软着陆降落非常有利。大气成分主要是二氧化碳，便于以后发展种植。

重力较小：便于返航，各种工程，运输，需要的能量少。这一点，月球，水星，火星，都差不多，不过火星地表有风，早期有水流，所以比较平整，同样便于施工和运输。

土壤成分：相对与地球接近，略加改造可以种植。

有较多的水：对建立类似地球生态非常重要。现在认为火星和地球一样，有地下水，不过一般是冷冻状态，含水量也比较低。

比较大的山洞：地球早期的人类是住山洞的。由于要隔绝辐射，到火星开始恐怕也应该住山洞。山洞也便于保温。建造大量可以防辐射的建筑需要大量设备和能源，开始恐怕不行。当然月球和水星上也应该有。火星上的山洞已经找到，很大，很长。

所以，就自然环境来说，火星是最接近地球的。似乎可以直接开采地下水或者找到水冰资源。在透明穹顶内种植，可以水培或者在改造后的土壤里种植。只要能在火星土壤里种出来任何东西，就可以认为殖民应该没有问题了。

可是，要做成一件事情，并不是只有原则上是否可以就行了。我们还要看所有的技术细节。我们分析一下，过几年殖民火星，或者说，马斯克的2026年人类登录火星并返回的计划，可能存在哪些问题。

SpaceX火星计划方案

火箭：第一级：高72米，直径9米，推进剂3400吨（液态甲烷，液氧），火箭引擎28个猛禽，推力7500吨，比推330秒。第二级：星舰，高50米，直径9米，空重120吨，总重1320吨，推进剂1200吨，6个猛禽引擎，推力1200吨，比推380秒。

SpaceX的火星计划步骤(SpaceX)

过程：第一步，星舰发射，第一级回收；第二步，星舰进入地球轨道；第三步，轨道上重新加注推进剂，加注星舰返回；第四步，星舰加注后飞往火星；第五步，在火星上降落，并利用火星本地资源给星舰重新加注推进剂；第六步，星舰返回地球。

前期准备：2023年会发射一次绕月之旅，日本企业家前泽友作出钱，带上一些艺术家朋友。2024年计划发射无人火星之旅，带过去大量物资，主要是太阳能发电设备。

火星本地推进剂生产：采用萨巴捷过程，即高温高压下氢与二氧化碳通过催化反应生产甲烷。火星上二氧化碳很丰富，氢和氧则通过电解水得到。

可能的困难

先假定火箭技术，发射加注等技术问题已经解决，我们分析一下计划执行的时候会碰到哪些困难。

轨道加注带来的问题：两级星舰低轨道运送能力最大只有150吨，飞往火星的星舰入轨后，需要加注多次，加满1200吨至少要飞八次。2026年飞火的时候，计划不止一艘，而是两艘载人，两到三艘载货，那么就要短时间加注几十次，地面发射压力很大。推进剂是液态气体，需要很低的环境温度，在轨道上时间长了，维持低温的问题需要解决。由于需要留部分推进剂降落时使用，几个月的飞行过程中，低温维持也需要解决。

降落问题：假定飞行顺利，降落也按计划顺利执行。当然，这样不那么简单。以前的任务都是小探测器，最大也就一吨左右。星舰舰体加载荷有两百多吨。在地球上，降落需要平整并坚实的平台。星舰刚飞到火星的时候，当然是没有降落平台的，如何解决？星舰重心很高，如果倾倒，虽然火星重力只有地球的38%，仍然很难处理，并可能造成重大伤害。因为一旦降落，就无法移动，所以几艘星舰应该尽量靠近降落，这也会带来问题。比如，需要找一块很大并坚实的降落点，坚实的降落点基本意味着岩石表面，后期取水就困难。

能源问题：火星太阳能密度不到地球的一半，还经常有沙尘暴。所有设备，生存环境维持，推进剂生产，都需要用电，就要求一个功率很大的发电站。夜间用电意味着还需要有强大的蓄电能力，这些都意味着大量装备物资。

本地环境问题：虽然说火星本地环境对人类来说，比月球和水星好，但是仍然恶劣。大气不可呼吸，只有地球气压的百分之一，人类仍然无法直接在这样的环境中生存，每次出舱都要穿航天服，行动和工作都困难。人只能生活在密闭的星舰里。在不加压的穹顶中能否种植是未知数，如果要加压，穹顶的成本就要高很多。夜间温度到零下一百多度，星舰保温，以及昼夜温差带来的热冲击，对星舰的长期影响尚为未知。

推进剂生产问题：推进剂也就是甲烷和氧气的生产，原理上问题不大，但产能是个问题。对于人员首飞，首先是保证人员飞回来，所以飞去四到五艘，回来只需要一艘，或者两艘，如果要分散风险。长远来说，还是应该飞过去多少，就飞回来多少，要不火星上就会攒下很多星舰，可重复使用也就没有意义了。假定只飞回来一艘，那么至少要加注满，也就是1200吨，其中氧960吨，甲烷240吨。从降落到飞回时刻是一年半，也就是五百天左右。考虑到了之后总要做些准备，达到产能需要时间。那么每天至少需要生产两吨氧气，半吨甲烷。电解产生两吨氧气需要12000度电。萨巴捷过程生产半吨甲烷需要250公斤氢，电解生产250公斤氢也需要12000度电。一天太阳能板最多折合满负荷工作六小时（这已经比中国2020年太阳能设备利用小时数高近一倍），也就是太阳能板供电能力至少要达到2000千瓦。当然，这只是一道工序，甲烷生产还需要很多电，还有其它设备，制冷将甲烷和氧气冷却到液态也非常耗能。简单估算，太阳能电厂至少要5000千瓦的发电能力，对应地球上的发电能力是12000千瓦左右，需要300瓦的太阳能板4万块，约800吨，已经远超三艘货运星舰的运输能力。这只是太阳能板，还有架子，电线，电池，逆变器，控制器等。所以，哪怕达到最基本的产能要求，对能源供应的要求也很高。

食物供应问题：由于本地环境讨论过的问题，种植只能是实验性的，不可能希望种植生产食物。所以食物必须全部携带，12个人两年多。考虑水可以回收利用，每个人一天最多消耗一公斤干包装高能食物，所以12个人只需要大约10吨食物就够了，不是很大的问题。

对地通讯问题：火星到地球的通讯信道很窄，时延很大，不能实时通讯，对于习惯网络生存的高知人群（航天员们），是一个很大的挑战。项目共有两年多时间，不是很好打发。

辐射问题：星舰的辐射防护没法做得很好。现在的估计是，全程参与每个人的癌症风险增加5%，就是原来如果是30%的可能性得癌症，他们的可能性是35%。

心理问题：长期与世隔绝，幽闭，高风险，不确定，没有保障，各种不适应，没有隐私，……。

结论

火星殖民看起来不是那么难，把人送过去，过两年再接回来，原则上是能办到的，但仍然存在严峻的挑战。马斯克的计划应该也不会鲁莽执行。首先，他们会验证星舰的可靠性，先进行一些测试发射，并绕月飞行。其次，2024年无人飞行计划可以验证大量技术，如果出现重大问题，2026年不应该会送人过去，而是继续验证。我上面做的计算，及提的问题，他们应该也会想到，并找到解决办法，或者，勇敢前行。

我个人非常希望看到该计划成功实施，这样人类进入太空的步伐会大大加快。但我还是认为，把登陆和殖民计划改到月球上更好，所有问题都更容易解决。我们并不需要把太空文明变得跟地球一样。太空就是太空，月球就是月球，火星就是火星。每个星球可以有自己独立的开发模式，智慧文明存在模式。先开发月球，提高太空开发能力，资源控制能力，能源利用能力，再建造一些适合人类生物圈的环境就容易多了。

哪怕就是把火星开发成地球，月球充分开发之后，我们可以利用在月球获得的材料，在火星一号拉格朗日点L1放一个大磁铁阻挡太阳风，L2点放一个大镜子，直接将火星地表温度提高到适宜地球生物生存。月球电解产生的大量氧气送往火星，再用微生物和植物改造火星大气，直接把火星改造成一个小号陆地地球。

《大航天》全文顺序版