太阳系新知加餐（上） | 殖民火星不仅仅是科技问题
讲了那么多期关于火星探索的故事，有很多听众都提出了相同的一个问题：人类是否能殖民火星？或者说人类在多远的未来能殖民火星？
科幻大师罗宾逊有一部著名的科幻小说，被称为《火星三部曲》，也就是《红火星》、《绿火星》、《蓝火星》。这三部曲的名字取得非常简洁又深刻，它描述了火星改造的三个阶段——红色代表现在的火星，绿色代表初步改造后覆盖上了植被的火星，蓝色表示一个温暖湿润的火星。这三本书用非常细腻的笔法讲述了人类如何改造火星，把火星从一片铁锈之中拯救过来，变成人类新的宜居家园。
那么，现实情况如何呢？尽管我们已经发射了如此众多的火星探测器，实际上，我们只对火星 3% 的表面了解的比较多。还有大片区域没有深入的研究过，毕竟距离太过遥远。但即便如此，也挡不住人类要踏足火星的梦想。这个梦其实很早就开始了。
当年，天才的火箭工程师冯·布劳恩刚刚来到美国不久。他是作为战犯被带到美国的，因为他杰出的才能，美国人决定把他留在美国。但是他的国籍申请和安全审核还没有通过，很多项目他不能参与，因此冯·布劳恩显得没什么事情可做。他倒是和迪士尼的老板关系很好，于是他就作为科学顾问，帮助迪士尼拍摄了一部科教片，在这部科教片里面，他展示了很多火箭的模型，还有很多可以在火星大气中飞行的飞机的模型。
从当时冯·布劳恩的设想来看，他打算在太空里拼接成重达 4000 吨的飞船，然后组队前往火星。他的主要设想是这样的：
火星探险队包括 10 艘飞船，带上 70 名船员，每艘飞船总重 3720 吨
而完成整个“舰队” 组装将需要 46 艘航天飞机在 8 个月内进行 950 次发射（航天飞机其实就相当于是辆大卡车）
3 级火箭全都回收利用，第1级第2级靠滑翔和降落伞，第 3 级自己滑翔着陆（只有回收火箭，才能省钱，不然价钱太贵了）。
从地球到火星，需要走特殊的霍曼转移轨道。大约是每两年有一次机会。霍曼转移轨道是最节省燃料的轨道了，但飞过去也起码要半年多。
再后来就是美苏争霸，两国比拼谁先能登上月球，美国巨大的工业和科研实力发挥得淋漓尽致。冯·布劳恩领衔担纲的土星-5号运载火箭到现在为止都是世界上最大的运载火箭，相当于把一艘三千吨级的护卫舰竖起来，发射到太空里。布劳恩为什么要设计这么大的火箭呢？当然不仅仅是为了登陆月球，他内心里还是瞄准火星去的。
但是，载人登月从阿波罗 11 号开始，到阿波罗 17 号停止，花的钱就像流水一样，即便是财大气粗的美国人都承受不住了。要知道土星-5号当年的造价是 5 亿美元，一艘核动力航母的造价也不过才 4.5 亿美元。
别忘了，当时的火箭可都是一次性的消耗品，花费比一艘航母还贵的价钱，仅仅能把 118 吨的载荷送到近地轨道。以这个价格计算。去火星无异于痴人说梦。你就是把美国榨干了，也凑不出这么多钱来。
按照布劳恩的设想，必须靠重复使用来降低成本。美国宇航局开始航天飞机计划。航天飞机是可以多次使用的，应该会比较便宜。按照布劳恩的设想，就要靠航天飞机当大卡车，把货物送到太空里，拼接成巨大的飞船。然后再去火星。
航天飞机可以说是工程学上的一个杰作，也是一个里程碑。这个家伙既可以运载 7 名宇航员，背后的货仓还可以运输尺寸很大的货物。最拿手的绝技就是把卫星抓回自己的货仓里带回地面。要是没有航天飞机，国际空间站根本就别想建造。要是没有这个家伙，哈勃望远镜也很难在太空里面加装改正镜片。近视眼的毛病根本就治不好。
可惜从挑战者号升空爆炸，到哥伦比亚号返航解体的两次悲剧，让航天飞机成了美国宇航局的鸡肋。从此以后航天飞机的每次飞行都小心加小心，甚至需要另外一架随时待命，以防万一。20 年前设计的电路板也已经老化，随着电子工业飞速发展，过去的老型号的器件根本就买不到，维护成本也越来越高，安全性也越来越差。美国人决定 2011 年航天飞机全部退役。大家怎么都想不到，头号航天大国，曾经把人类送上月球的美国居然失去了载人航天能力，到今天也没能恢复。
纵观整个航天飞机计划，这种能够回收再利用的飞行器其实一点都不便宜。可能比一次性的飞船还贵。16 个国家联合建造的国际空间站，足足搭了 18 年，总重量不过 370 吨，不及冯·布劳恩计划的 10%，看来人类要想去火星是没什么希望了。
尽管如此，NASA 还是按照当年冯·布劳恩的路线图继续规划下一步的动作。他们花了 90 天时间制定了一份登陆火星的计划。大致来讲还是走老路，建立新一代的运载火箭，简称SLS（太空发射系统），比土星五号略大一点，这种火箭是关键中的关键。
- SLS火箭多次发射，对接成 1300 吨的复合飞船
- 先发两艘无人的去火星，一艘在火星轨道当回家的储备，另一艘降落火星表面打前站
- 相隔 26 个月之后，发射载人火箭，在太空里拼接成功，飞往火星。
- 半年以后，宇航员飞到火星，降落，到这里打个洞，到那里挖个坑，做好火星地质的考察工作。临走前搬几块石头上飞船，点火起飞，和轨道上的储备飞船对接，等着下一个窗口期，返回地球。
当然，有人对这样四平八稳的计划不感兴趣，因为太慢了，也因为 SLS 是由大公司在研发，他们的首要目标是赚钱，是股价，不是理想。有的工程师提出了直击火星的计划：
1. 先发一艘无人飞船，携带单程燃料，降落火星。
2. 在火星表面建立燃料工厂，电解水，捕捉二氧化碳来制造甲烷和液氧。
3. 过26个月，载人飞船飞向火星。
- 好处：不需要庞大的补给，飞船拼装次数很少。
- 坏处：单程燃料，万一出问题，宇航员就回不来了。
好在，NASA也受够了大公司的垄断，打算引入几条鲶鱼。埃隆·马斯克的 SpaceX 公司就是其中的佼佼者。
埃隆·马斯克是南非人，后来移居美国，他是个成功的商人，从小就酷爱编程。paypal 公司的就是他参与创立的，后来他退出了。但是赚到了第一桶金。他从小就有个去火星的梦想。发了财以后，心思就开始活动了，美国的火箭太贵了。俄罗斯的比较便宜，去跟俄国人打听了一下，价钱还是太贵了。难道整个地球上就找不到一种价钱便宜量又足的火箭吗？于是他下定决心自己造火箭。
好在他是生活在新世纪的美国。美国不愧是工业底蕴深厚。很多过去难以解决的问题，如今已经不再是难事。整个大环境已经发生了天翻地覆的变化。马斯克找来了很多天才的工程师，用软件迭代的方式开发火箭。效率果然非同反响。
SpaceX 公司最大的突破就是火箭的垂直回收。过去，一级火箭把载荷送上去以后，自己就成了垃圾，假如多装点燃料，一级火箭用反推的方式自己降下来，不就可以完成回收吗？这比航天飞机要划算多了。
过去，为了完成登月任务，要设计巨大的发动机。苏联曾经想用 32 个小发动机代替大发动机，可惜当时的技术不具备操控 32 个发动机的能力，苏联人的火箭连续爆炸，炸的领导们都寒了心，彻底退出登月竞赛。但是发动机并联现在已经不再是问题了。重型猎鹰火箭用了足足 27 个发动机，把一辆两吨重的特斯拉电动跑车发射到了火星轨道，而且完成了两个大助推器的回收工作，中间的一级火箭掉进海里，没能准确的落在大西洋之中的那艘回收船上。
不过，2019 年重型猎鹰火箭完成了第二次发射，这一次把 60 颗星链卫星送上了轨道，马斯克计划用 1 万颗星链卫星组成一个全球的高速互联网络。全世界还有很多地方上不了网，起码占地表 70% 的海洋并没有被覆盖，海事卫星上网又贵又慢，既然如此，为什么不干脆一劳永逸，建立一个基于卫星的全球互联网系统呢？马斯克的计划是用 1 万个卫星组成一个球，覆盖所有地表，我都不知道该如何形容这个卫星系统。这个去中心化的网络也许可以被称作”区块球“。不过这是我怎么听都很像当年夭折的铱星计划。
马斯克为什么要干这种看似不相关的事情呢？还不是为了给重型猎鹰火箭找工作，这样可以降低研发成本。马斯克对成本非常在乎，因为成本决定了殖民火星能不能顺利起步。
这一次重型猎鹰火箭的发射任务圆满成功，而且还完成了两个大型助推器和一级火箭的回收，一级火箭准确的降落在了回收船上，动作堪称完美。可惜，一个大浪打来，船一晃，火箭就从直立状态摔倒在船上，估计是砸坏了。这就有待下一步改进技术了，哪怕像加固电线杆子一样先拿钢丝捆上也好啊。
总之，经过 SpaceX 天才的工程师们的努力，现在火箭发射的成本已经大大降低了。看来，去火星已经有了一丝的希望。
马斯克研发的下一代火箭发动机“猛禽”要比现在所有的火箭发动机都要大，靠几十个这样的巨型发动机才能推动巨型飞船飞向火星。马斯克毫不掩饰他的野心，就是要用比土星五号大得多的巨型飞船，把 100 名乘客带到火星。当然，需要带上好几艘补给船，还要完成在太空加注燃料的壮举。
他们的火箭是使用甲烷和液氧当做燃料的，将来，甲烷和液氧都可以在火星上自己造，火星大气里有的是二氧化碳，火星上也有水资源，可以依靠太阳能发电来想办法把水和二氧化碳转换成液氧和甲烷。
马斯克吹过的牛倒是都兑现了，只是从来就没有如期兑现过。马斯克今年四十出头，大约还有四十多年的时间来实现殖民火星的壮举，尽管不被大多数人看好，但我还是要为他敢于吹那么大的牛喝彩。
前面我对航天技术的历史做了一个非常简略的描述。其实就是告诉大家，技术问题尽管看起来很困难，我们人类总是有办法克服这些困难的。但是你以为技术上的困难是唯一的困难吗？恐怕不是这样，技术限制只是一个边界条件罢了，麻烦事才刚刚开始呢。
《银河英雄传说》里有句名言经常被引用，那就是：我们的征途是星辰大海！不知不觉间，就把对太空的探索和人类早期的大航海时代联系在了一起。很多人都认为，星际殖民的模式，就和当年大航海差不多。
你别说，这还真是挺像的，葡萄牙的王子亨利，一辈子也没出过远门。但是他被公认为伟大的航海家，因为他建立了航海学校，收集了各种海图，研发了能够适应深海大洋航行的船舶。
他还到处收集资料，对世界各地的风土人情做了详细的了解，很多年轻人在航海学校的图书馆里看到了《马可波罗游记》，激发起了他们对于东方财富的渴望，他们巴不得早点征服海洋，建功立业。所以说，亨利王子虽然是个宅男，却无愧于航海家的称号。正是他的努力为后来的大航海时代奠定了基础。
你看，亨利王子是不是和马斯克有点像呢？他们可都是技术宅男。马斯克也不打算自己去火星，背黑锅我来，冒险还是你们去吧。为了财富与自由，很多人真的是不畏艰险。后来的事情大家也都知道。哥伦布去了新大陆，达伽马绕过好望角到达印度。这是一个地理大发现的时代，也是一个殖民的时代。
我们可以设想，最早一批去火星的人并不会很多。他们首要的任务是在火星上建立定居点。要知道火星和地球之间的不是随随便便就能来往的，每过 26 个月才会出现一次窗口期。在这26个月里，宇航员必须准备好足够返航的燃料。火星上必定是有事先发射着陆的燃料加工场的，会有大片的太阳能板，有吸取二氧化碳和水制造甲烷的装置，有存储液氧和液态甲烷的大罐子。宇航员们一定是不会有空闲时间的，而且人数少了还不行，7~8 个人应该是少不了的。
阿波罗登月的时候，宇航员可以住在飞船里，一切生命维持系统都依靠飞船。但是飞往火星可不能这么做，宇航员们必须在封闭空间内坚持很长时间。这就要求在这个封闭空间里建立起一个小型的生态圈。
不过人类在地球上曾经建立过一个小型的封闭系统，在里面也有人造的海洋，人造的沙漠和热带雨林，还放进了各种花鸟鱼虫，反正是尽量模拟自然环境。这个实验就是赫赫有名的地球生物圈2号。可惜这个全封闭的生物圈运行了没多久就濒于崩溃，植物和动物的呼吸都会放出二氧化碳，植物通过光合作用，吸收了碳元素供自己生长，释放出了氧气，供生物呼吸。可是因为设计失误，混凝土的墙壁吸收了一部分二氧化碳。碳的循环开始失衡，整个生物系统开始逐渐走向衰败。
不仅如此，住在地球生物圈2号里面的8名研究者甚至分成了两派互相对抗。闹得不可开交，人际关系也崩溃了。这次实验以失败告终。如果这种事情发生在火星上，后果必然是灾难性的。这就是人类登陆火星可能会遇到的第一个难关。
所以，去火星之前，必须在地球上建立生物圈 3 号，再次展开实验。等生物圈3号解决了所有的问题，能够实现长时间的坚守了，那么我们就可以把这个生物圈复制到火星上去，构建生物圈 4 号。
假如生物圈 4 号在火星上真的能建立起来，的确可以维持到宇航员们离开火星返回地球，那么生物圈 4 号就可以说是成功的。接下来的事情就是扩大移民的规模，这一次是 100 人。马斯克设计的巨型火箭只能装 100~200 人。
这些人到火星首先要建立家园，建立永久性的定居点。这一次建立的定居点肯定比生物圈 4 号要大得多，前方还有很多艰难困苦在等着他们呢。我们发现，大航海时代也有很多的案例可以提供参考。英国的弗吉尼亚公司运了一百多人来到北美洲的海边。他们也想在新大陆建立定居点，以前的十几次尝试都失败了。这一次，他们建立了詹姆斯敦定居点，但是他们到达詹姆斯敦已经错过了当地的播种季节，而且遇上了大旱，首先面临的就是饿肚子的问题。靠印第安人接济才勉强度日。后来又有几批殖民者到达詹姆斯敦，可惜他们跟印第安人发生冲突，断了粮食来源，詹姆斯敦的殖民者要么逃走要么饿死，定居点人口从 500 人锐减到 60 人。
我们设想，当 100 多星际殖民者到达火星的时候，火星上有印第安人吗？没有，火星上条件最好的地方也不如地球上最恶劣的地方。七八个人能活下来不等于 100 个人能活下来。活几个月不等于就能永远活下去。那么，这个定居点会不会过了几年之后崩溃呢？这是完全有可能的。整个定居点非常脆弱，假如庄稼闹了病虫害，饥荒就是难免的了。殖民者要么撤回地球，要么等死。
当然，我们也不必对火星殖民做太悲观的估计，但是代价恐怕远比大家设想的要大得多。人与人之间的矛盾可能引发的危机。上百人的队伍远比七八个人要复杂得多。当初马斯克定下的船票价钱是 20 万美元，一套美国郊区大房子的价钱。能拿得出 20 万美元的，大概率上讲不会是年轻人，很可能以事业有成的中年人居多。他们放弃了中产阶级生活，抛弃了地球上的一切，来到火星上开拓殖民。某些尝鲜的大富豪可能还要放弃万贯家财。他们要做的工作很可能并不是他们擅长的事情，他们要在人到中年之际重新出发，过去是在办公室敲键盘的，现在也许开着挖掘机挖坑，开着播种机种庄稼，这才是他们的现在要做的主要工作。我不知道他们是不是能坚持下来。假如某些在地球上当惯了老板的人不服管理，该如何是好呢？到底听谁的？人性很难改变，即便是在火星上。
电影《火星救援》镜头：火星上种菜
总之，从登陆火星的元年开始，前 20 年恐怕都在为定居点的生存苦苦挣扎，首要的任务就是活下去，能在火星表面安居乐业。
假如人类在几十年的时间内坚持向火星殖民，每 26 个月发射一次飞船，20 年内最多也就能运送几千人去火星，火星上会形成一个小的城镇。但是，这在我看来，只不过是更多麻烦的开始。
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