2012年,荷兰一家非营利组织提出了“火星一号(Mars One)”移民计划,宣布要在2025年以前在火星上修建第一个人类居住地。这一任务最初会将四名宇航员送到火星,在那里他们会度过余生,以修建第一个永久的人类居住点。

多么自信也多么冒险的想象——尤其是,“火星一号”竟宣称整个计划将使用现有技术来完成。该计划的官方网站声称,这将是“人类社会的下一次巨大飞跃”。

但是,美国麻省理工学院的工程师们说,这个项目可能要稍微推迟一下了,至少要审慎地考虑技术的可行性。他们发明了一个细致完善的居住地分析工具来评估“火星一号”任务的可实现程度,结果发现,要让人类在火星上活下去,还需要一些新技术的诞生。

在本月于东京召开的国际太空航行学年会上,麻省理工技术学院的航空航天工程系统学教授奥利弗·德维克代表研究团队,展示了他们的分析结果。

“我们不是说‘火星一号’不可行,这并不是非黑即白的结论。”德维克说,“但是我们认为,在现有技术集成下,并不可行。我们提出了更急迫需要投入精力和时间开发的技术,进而让这个计划沿着更可行的轨道推进。”

模拟火星生存所需,不乐观

研究组用系统论方法来分析“火星一号”任务,首先评估了任务“建筑”的众多基本面,比如说它的居住条件、生命支撑系统、备用件需求以及运输逻辑,接下来还要深入考察每个成本对整体系统工程的贡献度。

研究人员悉尼·杜模拟了火星移民的一天,来说明居住所需要的条件。基于国际空间站宇航员的典型工作日程、活动水平和新陈代谢率,悉尼·杜估算出一个火星移民可能每天需要消耗大约3040卡路里热量,才能保持生存和健康。

然后,他计算出能提供合理平衡饮食所需五谷杂粮的量,包括豆类、生菜、花生、土豆和大米。

悉尼·杜计算出提供上述食品度过很长的时间可能需要大约200平方米的种植土壤,而“火星一号”计划只估计出了50平方米,按照项目的计划,如果这些五谷杂粮在移民居住点里种植,还会产生不安全的氧气含量,超过防火安全临界值,这要求持续生产氮气来降低氧气水平。时间一长,会导致氮气罐消耗殆尽,从而让居民点因自然泄漏面临缺乏气体补偿的处境。

当居住地点内部的空气持续泄漏,总体的大气压力会下降,最终导致在68天内第一批居民窒息而死,这可不是个乐观的居住环境。

可能的解决方案,应该发展至少两种技术,一种是能消除多余氧气的技术,另一种是隔绝出单独温室种植谷物的技术。令人惊讶的是,最便宜的选择,竟是从地球家园运输所有食物。

备用件不能“火星制造”,不乐观

研究组还进行了一个针对备用器件供应的综合分析——每次需要运送多少备用件到火星居住,才能保证居住点的正常运行?

他们发现,随着居住地的扩张,备用件将迅速占据未来运输工具的大部分空间,有可能占到有效载荷的62%。

“还是拿种植食物来说,在火星上,你需要光照系统和给水系统,拿光照举例,我们发现从始至终,都需要875个LED系统,所以需要提供备用件,结果让初始运输载重负担更加沉重。”

这些自始至终都需要的备用件,将持续影响飞往火星计划的费用。研究人员欧文斯估算了备用件的提供问题,他的分析,是基于NASA为国际空间站提供备用件的可靠数据计算得出的。

“国际空间站的基本思路是,如果有什么东西坏掉了,你可以给地球家里打电话,然后很快会弄一个新的上来。”欧文斯说,“如果在火星上,你想要这一个备用件,你得在每隔26个月一次的发射窗口期发射出来,然后再等上180天的飞行才能拿到手。如果能在当地制造备用件,可能会省很多事儿。”

欧文斯指出,3D打印技术可以让移民在火星上制造备用件。但是这个技术还没有发展得足够高级,还不能重复制作精确尺寸和拥有足够功能的太空备用件。

麻省理工学院分析指出,3D打印机技术还需要跨越式发展,或者全部火星居民点基础设施什么全部需要重新设计,以便用现有的技术打印全部零部件。

这个分析让“火星一号”计划看起来令人气馁。

评估项目总体花费,不乐观

研究人员说,他们开发的居住条件分析工具能帮助决定多数设想的可行性。比如,他们还计算出了,运送第一批四人组和后续成员所需要的火箭数目,以及相对于单程火星之旅,移民成员定时替换的方案总体花费会更多吗?等等。

根据“火星一号”计划,在正式运送第一批宇航员到达那里之前,可能需要6枚猎鹰重型火箭来运送初始补养。

但麻省理工学院发现这个数字有点“过于乐观”了:最开始至少有15枚重型火箭才能完成初次补给任务。仅这一项运输花费,与宇航员的运送一起,就达到了45亿美元,而这项开支必将随着其他成员和补给的增加而飙升。

且上述估计并不包含开发和购买相关设备的费用。比如,在地球上司空见惯的煮水工具。火星探测器凤凰号探测车在2008年发现了一些证据,推测火星表面存在冰,这意味着,未来的移民可能要靠融化冰来制作饮用水,这也是“火星一号”计划的另一个目标。但是根据麻省理工学院的分析,现有在地球上煮水的技术设计还不能在太空中直接使用。

德维克说,在火星上建设一个人类居住地的展望的确激动人心,为了让这个愿景能脚踏实地,也确实还需要很多技术的创新,尤其要借助严格的“系统论”方法进行反复论证。

NASA技术战略主管崔西·吉尔说,这个工具对于评估其他到达火星的计划同样适用。他说:“这个工具对任务设计者很有用,能帮助他们用更好的分析结果,支撑更大型的任务框架。”