南宁水稻科学研究中心

太空农场、离子引擎、去火星?那些已成现实的黑科技

Wislight未蓝2018-07-03 10:36:00

一直以来,火星都在人类的想象和文化中占据着中心位置。古人讶异于它的红色,以及年复一年循着周期跌宕起伏的亮度。早期的望远镜观测让一些人猜想这颗星球被运河所覆盖,而这些运河则是火星居民用于交通和贸易的通道。在《世界大战》一书中,作者H.G. 威尔斯(H.G.Wells)设定了一个将会企图征服地球的火星文明。在1938年,奥森·威尔士(Orson Welles)将威尔斯的小说改编为广播剧,并惊吓到了一群以为自己正在听真实新闻的听众。

相较而言,火星和人类之间的真实故事就没有那么浪漫,但其迷人之处并不减损分毫。望远镜的观测将天上的明亮红点变成了模糊而斑驳的碟形,使人们产生了火星上有运河存在的白日幻想。就在50年前,一架经过火星的航天器拍下了它的第一张照片,显示火星拥有模糊的大气层。现在,经过数十年的火星探索,人们发现火星曾经存在过开放水域——生命存在的基本要素。

1965年,水手四号拍到了人类首张近距离火星照片。图片来源:NASA

即使在互联网时代,人们对于火星的痴迷也并未消退。一个热爱写作本身,并乐于把自己的科幻小说发上博客的前程序员安迪·威尔(Andy Weir),将一位NASA宇航员搁浅在火星的故事写成了连载。这个故事大受欢迎,最终,安迪·威尔将它改编为一部成功的小说——《火星救援》,其同名电影在2015年十月上映。

《火星救援》把关于火星的想象和事实结合在了一起,将故事建立在NASA和其他组织为探索火星所做的共同努力上,并把时间推移至2030年——那时,NASA的宇航员会定期登上火星,并在火星表面上生活一段时间,进行探索工作。尽管小说的故事发生在20年后,NASA实际上已经拥有了电影中出现的许多技术。


居住舱 Habitat


在火星上,沃特尼(Watney)花了大量的时间呆在居住舱里,他远离家园时的家。未来登陆火星的宇航员也将需要这样的一个家,要不然,宇航员们就得穿着太空服、躺在尘土里度过他们的火星时间。

在《火星救援》中,一个人造的居住舱(Hab)对帮助人类探索火星是非常重要的。图片来源:Twentieth Century Fox

NASA的人类探索研究模拟器(HERA)是一个模拟外太空居住舱的独立空间。这个两层楼的空间由生活区、工作区、卫生舱和一个模拟气闸组成。在其中,测试对象们需要执行操作任务,完成负载目标,并共同生存14天(很快将计划增加至60天),在孤立环境中模拟未来的任务。宇航员近期也在利用这一设施模拟国际空间站的任务。这些模拟提供了人为因素、行为健康以及处理应对方面的宝贵数据,有利于加深NASA对未来如何执行外太空探索任务的理解。

工作人员在位于NASA约翰逊航天中心的HERA执行任务。图片来源:NASA


太空农场 Plant Farm


目前,国际空间站的宇航员可以从货物补给飞船获得足够的食物,有些飞船还是商业公司提供的。但在火星,人们无法依靠地球补给获得食物——即使是用最快的方式运送,也要花上至少九个月。如果人们想要在火星上生存,他们就需要持续的食物来源。因此,他们将需要自己来种植作物。

《火星救援》中的宇航员马克·沃特尼在火星上种植土豆。图片来源:Twentieth Century Fox

现实世界中,NASA宇航员谢尔·林德格伦( Kjell Lindgren)正在国际空间站收割“素生”(Veggie)项目中种植的生菜。图片来源:NASA

在《火星救援》中,沃特尼将他的居住舱变成了一个自给自足的农场,而土豆则成为了火星上的第一项主要农产品。而现在,在地球的近地轨道附近,生菜是最为充足的作物。在国际空间站有一套可应用的新鲜食品生产系统:“Veggie”。使用红、蓝和绿色光,Veggie项目能使植物长在“枕头”上——含有介质和肥料,表层能进行毛细作用的小袋子,并能被宇航员收获。在2014年,宇航员通过这个系统成功种植了“Outredgeous”红色长叶莴苣,并在最近第一次品尝了这种宇宙蔬菜。这是太空种植上重大的一步,同时,NASA也希望进一步扩展作物的数量和种类,以满足未来登陆火星的宇航员的营养需求。

红光照射下的“Outredgeous”红色长叶莴苣,即将成为国际空间站宇航员们的美餐。图片来源:NASA


水回收 Water Recovery


火星表层上没有任何湖泊、河水或者海洋,如果从地球上运水过去则要花上九个月以上的时间。火星上的宇航员必须创建出自己的供水系统。因为战神3号上的水回收装置,宇宙飞船上的全体成员在火星上没有浪费一滴水,而沃特尼则需要凭借自己的聪明才智,来保证自己在这颗红色的星球上不至脱水,并且生存下来。

在国际空间站上,没有一滴汗水、眼泪甚至尿液会被浪费。环境控制和维生系统会回收并循环使用从各种地方采集来的水:尿液、洗手水、口腔清洁时使用的水等等。通过水回收系统(WRS),水被回收、过滤,并重新被投入使用。一个宇航员曾这么说过:“昨天的咖啡就是今天的咖啡。”

在太空中,液体的确会造成一些棘手的问题。水回收系统等相关系统必须考虑到,在微重力空间中液体的表现是非常不同的。比如,水回收系统处理尿液时必须使用离心机来进行蒸馏,因为在太空中,液体和气体并不会像在地球上那样分离。

NASA没有停止过研发水回收新技术的脚步。目前,有研究正在试图提升一次性多用过滤网(用于过滤无机污染物,以及不挥发的有机污染物)的性能,使之成为水回收系统中更具永久性的部件。卤水回收过程则会从尿液蒸馏的“底料”中回收每一滴水。在未来的探索任务中,宇航员对来自地球的水和零部件补给的依赖将会减少。

这项科技也被引进给了地球上的一些偏远地区,或者遭受严重自然灾害的地区,来为他们提供清洁的饮水。


氧气生成 Oxygen Generation


水,食物,庇护所:它们是在地球生存的三项基本要素。然而,还有一个第四要素往往被我们忽视,因为在地球上,这种要素总是可以免费获取——那就是氧气。在火星上,沃特尼可没法跑出门外,呼吸一口新鲜空气。要想活下来,他无论去哪儿都必须随身携带自己的氧气补给。但首先,他得制造出自己的补给。在他的居住舱中,他用的是“氧合机”——一种用来自火星升空载具(MAV)的燃料制造机富集的二氧化碳来制造氧气的工具。

在国际空间站,宇航员们拥有氧气生成系统,它对空间站内的空气进行再处理,高效、可持续地为宇航员们不间断提供可呼吸的空气。这种装置通过电解过程,将水分子中的氢原子和氧原子分离。其中,氧气被释放到空气中,而氢气则会被丢弃到宇宙中,或者被送入萨巴捷系统——一种从空间站大气的副产品中提取水的系统。


火星宇航服 Mars Spacesuit


火星表面对于人类来说可并不怎么适宜。那里大气温度非常低,也几乎没有可以呼吸的空气。在居住舱外的火星表面采集样本、维护设施时,宇航员要想活下来,宇航服是必不可少的。

演员马特·达蒙(Matt Damon)饰演的NASA宇航员马克·沃特尼。图片来源: Giles Keyte

NASA号召公众为Z-2模型宇航服的三种外观设计投票。图片来源:NASA

在他度过的那些火星日(sol,也就是火星上的日出日落一周期)中,马克·沃特尼经常穿着宇航服工作,他最后还需要在火星上长途旅行。因此他的宇航服应当是灵活、舒适而可靠的。

现在,NASA正在研究可用于火星探索的宇航服技术。从穿越火星地貌到采集岩石样本,设计工程师需要考虑到宇航员在火星上所需执行的一切任务。

Z-2和Prototype eXploration宇航服是NASA设计的新型宇航服样本,它们运用了新技术解决了一些独特的问题,日后,这些技术将会被用于首批登上火星的宇航员们所穿的宇航服上。它们分别用于解决不同的技术缺口——也就是宇航服完成火星任务所缺失的功能。宇航服设计工程师在硬复合材料和纤维间进行权衡,寻找耐用性和灵活性的平衡。

行走在火星中的一大挑战是火星上的尘土。在火星表面行走后,火星的红色土壤如果被带入了宇宙飞船内,会对宇航员和舱内设施造成影响。为了应对这一问题,新宇航服的背后加上了宇航服接口(suitport)的设计,这样,宇航员们就可以从舱内快速跳进宇航服,将宇航服留在舱外,从而使室内保持清洁。

直接从舱内跳进室外宇航服的接口设计。图片来源:Wikipedia


火星车 Rover


当人们降落到火星上之后,他们至少要在火星上呆上一年时间,以等待火星和地球运行到回程距离最近的位置。这一点给了宇航员们大量的时间进行实验、探索周围环境,然而,他们不会愿意把探索范围限制在步行可及的区域内。因此,宇航员需要使用稳健、可靠、功能多样的火星车,前往更遥远的地方。

在《火星救援》中,沃特尼开着他的火星车跑了好几趟,他甚至还对他的火星车进行了一些不怎么正统的改装,好让自己生存下来。

电影中的火星车。图片来源:Giles Keyte

NASA的多任务太空探索车(MMSEV)。图片来源:NASA

今天,在地球上,NASA正在使用多任务太空探索车(MMSEV),为可能遇到的一切情况做准备。MMSEV已被用于NASA的模拟任务项目,以帮助解决NASA已经知晓的问题,发掘尚未发现的问题。这项技术的用途十分广泛,可被用于支持未来探索小行星、火星、火星的卫星及其他类型的任务。目前,MMSEV已经为解决诸如行驶距离、快速进出和辐射保护等问题发挥了作用。为了保证探测器的机动性,一些版本的探测器装备了6个转向轮。这样,即使有一个爆胎,只要向上收起出了问题的轮胎,火星车依旧可以正常运作。


火星车 Rover


《火星救援》中,在往返火星的旅途中,战神3号上的宇航员们在赫尔墨斯号宇宙飞船上生活了几个月的时间,使用离子引擎这种有效的推进方式,穿越了将近5亿千米的空间。离子引擎的工作方式是向氩气或者氙气通电,以大约每小时35万公里的高速释放出离子。宇宙飞船受到的力像微风一般轻柔,但通过年复一年的持续加速,飞船最终可以达到惊人的速度。离子推进还允许飞船多次改变它的轨道,然后脱离轨道,奔向另一个遥远的世界。

NASA设计的“新一代”(NEXT)离子引擎。图片来源:NASA

这项技术使NASA今天的航天器,比如曙光号探测器,得以尽可能地减少燃料的消耗,并能够完成一些疯狂的轨道变换。曙光号目前已经完成了超过五年的持续加速,累计速度变化达到了每小时40000千米,超过了任何只靠自身推进系统推进的宇宙飞船。一路上,它完成了人类对矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造访。


太阳能电池板 Solar Panels


火星上没有加油站,没有发电厂,同时也几乎没有风能。对这颗红色星球上的载人任务来说,太阳能能帮上宇航员们的大忙。《火星救援》中,赫尔墨斯号宇宙飞船使用了太阳能电池阵来发电,而马克·沃特尼不得不采取一些非传统的方式使用太阳能板,来维持自己的生存。

国际空间站上的太阳能电池板,背景中的星球是地球。图片来源:NASA

在国际空间站,四套太阳能电池阵能够产生84到124千瓦的电力——足够向四十户人家进行供电。空间站并不需要那么多的能量,但如果出了差错,冗余能够有助于降低风险。空间站的太阳能发电系统是非常可靠的,自首批宇航员在2000年登陆至今,空间站一直安全地向宇航员们提供着电力。

NASA的猎户座飞船——一艘将会带着人们到达前所未有距离的飞船——也将会使用太阳能电池阵列来执行日后的任务。在阳光下时,电池阵列能收集能源,为船上的锂离子电池充电。在没有阳光的情况下——比如在月球背后运行时——仍然会有足够的能量供猎户座飞船运作。

NASA的新一代飞船猎户座号。图片来源:NASA


放射性同位素热电发生器 RTG


40多年来,NASA已经安全地使用放射性同位素热电发生器(RTGs),为包括阿波罗登月计划在内的二十多个任务提供了电力。 “好奇号”火星车,以及即将升空的火星2020探测器等航天器使用的则是经过改进的新一代发电装置。

RTG是一种将钚-238的自然放射性衰变的热量转化为可靠电力的“太空电池”。“好奇号”上的RTG产生的电力不超过110瓦特——仅仅略高于普通的灯泡所需的电力。

在《火星救援》中,宇航员们把基于钚的RTG能源埋在离他们的居住舱很远的地方,以防核泄漏发生。就像电影中所说的一样,为了避免任何可能的泄露,钚-238本身就有几层坚固而先进的材料,即使经历了严重事故也不至于泄露。RTG主要发出阿尔法射线,它只能在空中移动几厘米,也并不会穿透衣服或者人类皮肤。只有当它被分解成微粒或蒸发,并被吸入或摄入的时候才会对人类的健康产生危害。这种同位素是以陶瓷形式制造的,特别地是,它不溶于液体,因此,被吸入和摄入的可能性实际上是微乎其微的。

在现实中,火星环境的自然辐射比RTG产生的辐射要大多了。从外太空落到火星上的电离辐射雨对人类的健康也更加有害。目前,NASA的火星任务也正在分析火星上的辐射环境,好让任务规划者为未来的宇航员设计保护措施。

未来的探险家需要在到达火星之前,确保有可靠持久的能源保证他们的生存。电力系统可能包括由更有效的放射性同位素发电系统、太阳能、燃料电池和核裂变组成的一系列组合。


火星征程


载人航天是个危险的行当。NASA计划在21世纪30年代将人类送上火星,但在这之前,要保证宇航员们安全地返回地球,还需要实现许多里程碑式的进步。斯考特·凯里(Scott Kelly),一位目前已经在国际空间站生活了一年的宇航员,完美地总结道:“太空是艰险的。对航天的每一层面来说,误差幅度都几乎接近于零。然而,在走向火星的征程中,我们得以更深入地理解宇宙;我们学到和带回的所有一切,最终都将惠及全人类。”(编辑:Stellasun)


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