【火星救援】可能是最全的火星生存指南——工程技术篇(2/3)

【火星救援】可能是最全的火星生存指南——工程技术篇(2/3)

星移君星移君

在上一篇指南中(【火星救援】可能是最全的火星生存指南——基础知识篇(1/3) - 星海航纪 - 知乎专栏),我们向您介绍了最基本的火星地理、天文以及气候知识,这些基本知识能够帮助您在火星上确定位置、找到合适的前进目标以及方向,对于您在火星上的生存至关重要。

在本章的指南中,我们将结合正在热映的科幻大作《火星救援》及其同名小说中的一些情节,继续介绍在火星提高生存概率所需要的工程技术知识。



阅读提示(雾):

  1. 本文包含部分《火星救援》一书和同名电影的轻微剧透内容,所有剧透已标出,读者可以选择性阅读|´・ω・)ノ;
  2. 由于星移君写本文时只看了原著还没看电影,结果电影中删了好多原著中的细节让咱很苦恼啊(╯°□°)╯︵ ┻━┻;
  3. 《火星生存指南》系列将会陆续推出三篇文章,这是本指南的第二篇。第三篇文章本来准备看完电影后再写,结果发现电影比原著差太多了不知道该怎么写了Σ(っ °Д °;)っ。


生存设施的利用

在尚未地球化的火星上生存,以下几样装置或设备是不可或缺的。

  1. 氧气发生器
  2. 二氧化碳吸收器
  3. 水回收系统
  4. 温度控制系统

氧气发生器

对于国际空间站(ISS)上的宇航员来说,氧气发生器能够为他们提供持续的氧气补给。ISS 上的氧气发生器使用了电解水反应来生成氢气与氧气,多余的氢气要么排放到太空中,要么通过萨巴蒂尔反应(CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O,与二氧化碳再一次生成水和甲烷。除此之外,在紧急情况下,空间站内的宇航员还可以使用备用的 Vika 固体氧气发生器来快速产生所需氧气。Vika 发生器使用了高氯酸锂,这种不稳定的物质在加热到 400℃ 后可以生成氯化锂与大量的氧气。

不过,火星上使用的氧气发生器原理却有所不同。由于火星大气中有充足的二氧化碳,NASA 的科学家们计划将直接使用这些二氧化碳资源生成氧气。

MOXIE 功能框图。来源:NASA/JPL-Caltech
MOXIE 是 Mars Oxygen ISRU Experiment(火星氧气就地资源利用实验)的简称,这个模块将被搭载在 Mars 2020 上进行氧气生产实验。

MOXIE 的基本原理是利用“固态氧化物电解反应(Solid Oxide Electrolysis)”来产生氧气,这相当于是一个逆向的燃料电池。在一般的燃料电池中,一氧化碳与氧气能够产生电能与二氧化碳。但是 MOXIE 却使用二氧化碳与电能,通过“固态氧化物电解反应”来生成氧气。这样做的好处在于无需浪费火星上宝贵的水资源进行氧气的生产。

二氧化碳吸收器

在国际空间站中,CRDA(Carbon Dioxide Removal Assembly,二氧化碳清除装置)被用来除去舱内的二氧化碳。与其他载人航天器中使用氢氧化锂来除去二氧化碳的方法不同,CRDA 最显著的特点在于其可重复使用性。CRDA 利用了沸石(Zeolite)作为分子筛(Molecular Sieve)来吸附空气中水与二氧化碳,并通过再次加热将其排入太空。

以下剧透预警

Watney 在最后前往 MAV 的途中,消除二氧化碳的方法则显得更为简单。他没有使用任何化学方法,而是直接将火星车内的气体泵入空气循环器中,空气循环器在降温之后将凝固点较高的二氧化碳与其他气体分离出来,从而消除了空气中的二氧化碳。

剧透结束

水回收系统

不论是在火星还是在国际空间站上,水的回收方式都是相似的,主要采取的是物理方法。不论对于尿液、洗澡后的废水还是空气中多余的水蒸气,水回收装置都可以经过一系列的过滤与蒸馏将可饮用的水提取出来。

温度控制系统

温控系统一般是通过对空气进行加热或冷却来稳定舱内的温度。

以下剧透预警

为了最大限度地节省能源、Watney 在长时间驾驶火星车的过程中关闭了车内的温控系统,而使用放射性同位素热电机(RTG)来维持车内的温度。这种做法是否可行呢?

剧透结束

实际上,RTG 被广泛应用于各类深空探索任务中。不管是阿波罗登月任务,还是正在火星上探(mai)测(meng)的好奇号,抑或是即将在 2020 年发射的 Mars 2020,都使用了 RTG 来提供电能。

得到最广泛应用的 RTG 使用了钚-238(Plutonium-238)的放射性衰变来产生能源。RTG 使用了热电偶将热能转化为电能,其转化效率很低,一般来说只有 3% ~ 7%。RTG 中的大部分能量都以热量的形式耗散掉了,因此 Watney 选择使用 RTG 来取暖是完全行得通的。

不过,RTG 的辐射会对人体产生多少不利的影响呢?

如果装置完好无损的话,RTG 周围的防护层可以有效地隔离辐射。此外,RTG 中通过衰变释放的 α 粒子穿透能力相当弱,仅仅能穿透几厘米厚的空气而无法穿透衣物或者人的皮肤。
只有在保护装置被破坏并且您不慎吸入或摄入其中的放射物时,RTG 才可能对您的健康造成损害(参考:nasa.gov/feature/nine-r)。而火星上的电离辐射对人体健康的影响比 RTG 要大得多。


Ares 与“火星直击”计划

在《火星救援》的后记中,作者 Andy Weir 曾经提到:书中设定的整个载人火星项目的结构和一个叫做“火星直击(Mars Direct)”的计划非常相似,不过作者对这个计划进行了一些修改。这个计划也很有可能成为人类史上第一个真正的载人火星任务。

“火星直击”计划来源于罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)关于载人火星任务的创想,他在自己的畅销书《赶往火星》(The case for Mars)中详细地阐述了该计划的各个细节,包括发射计划、火星表面生存、燃料生产、返回地球的论证等等。

《火星救援》中的 Ares 任务同样也使用了类似于“火星直击”的就地燃料生产(In-Situ Propellant Production,简称 ISPP)技术。该技术是利用火星大气中广泛存在的二氧化碳(体积分数约为 96%)资源,结合从地球上带来的氢,经过一系列的化学反应(主要包括萨巴蒂尔反应:CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O,电解水反应:2 H2O → 2 H2 + O2,逆向水气转移反应:CO2 + H2 → CO + H2O 等)生产甲烷与氧气作为离开火星表面所需的燃料。此外,燃料生产过程中多余的氧气也能提供给航天员所在生活舱使用。

除此之外,Ares 与“火星直击”的另一个相似之处在于其连续的任务规划。Watney 所在的是 Ares 3 任务,但是他离开火星时使用的却是 Ares 4 的 MAV(火星上升轨道器)。这是因为,对于每一个 Ares 任务,NASA 会提前一个发射窗口(通常是两年多一点)发射该次任务将会使用的着陆器和 MAV 着陆在预计的任务地点。只有在确保了在接下来的时间里 MAV 的燃料生产过程一切正常后,才会发射此次 Ares 任务的航天员前往火星。

不过,一个与“火星直击”明显的区别之处在于,Ares 任务中使用了一个庞大的地火转移飞船——Hermes。Hermes 飞船由离子引擎驱动,并有旋转重力舱室。不过,不论从航天器的复杂程度、还是离子引擎的推力上来看,Hermes 飞船都是远超设定背景中人类的科技水平的。

为什么在这份指南中如此详细地向您介绍载人火星任务?这其实对于您在火星上的生存也很关键。如果您恰巧是在执行类似“火星直击”的任务,那么您很有可能像 Watney 一样找到附近可以使用 MAV 离开红色星球。不过,如果您是由于其他原因,比如说旅游飞船坠毁而遗落火星的话,那么就请您使用以下方法与地球取得联系,并耐心等待来自地球的救援。


如何与地球联系

在火星尚未被完全开发的 21 世纪前半叶,从火星表面与地球进行双向通讯并不是一件容易的事。对于执行科学任务的火星车来说,与地球取得联系有两条途径。在“面朝地球”时,火星车能够直接与地球的深空网络(DSN)取得联系。而在“背对地球”时,火星车也能通过火星轨道卫星(如火星勘测轨道飞行器以及火星奥德赛号)与地球进行通讯。

相比直接与地球通讯,借助火星轨道卫星进行信号中转能够降低通讯所需的能量,也能够显著提高通讯效率。这是因为火星表面距离轨道卫星仅仅几百公里,而距离地球却有一亿公里之多。如果您的通讯设备功率不足的话,请首先考虑连接上这些火星轨道卫星。(详见:mars.nasa.gov/msl/missi

如果您的通讯设备已经损坏,附近也没有可以利用的火星探测器的话,那么请先考虑单向通讯,尽快将您的受困情况报告给地球。目前来看,唯一的单向通讯方式是在松软的火星沙土表面拖曳文字并等待路过的成像卫星进行拍摄。

火星表面成像分辨率最高的卫星是火星勘测轨道飞行器(简称 MRO)。MRO 的分辨率可达到每像素 30~60 厘米,这使得科学家们可以辨别火星上尺寸达 1 米的物体。

由 MRO 拍摄的好奇号在火星上移动的轨迹。作为参考,好奇号宽度接近 3 米,轮胎宽度约为 0.5 米。来源:NASA JPL

以下剧透预警

在《火星救援》中,Watney 是在通过火星探路者与地球取得联系之后,才知道自己之前的一举一动都被 NASA 的成像卫星实时监视着。在第二次与 NASA 失联之后,Watney 也只能用拖曳文字的方法单方面地向 NASA 简短地报告自己的状态(第二次失联的情节并没有出现在电影中)。

剧透结束


为了保证地球方面能够清晰地读取出您所传递的信息,请您在火星上拖曳出宽度为半米到一米的轨迹,并保证每个文字的尺寸在 5 米以上。此外,使用英文进行信息传递可能比中文效率更高。如果您熟悉莫尔斯电码的话,可以通过拖曳出长度不同的点和线来传递您的受困信息,其中 SOS 的莫尔斯电码为三短三长三短(‧‧‧---‧‧‧)。


系列下一篇:可能是最全的火星生存指南——「还没想好怎么写」篇(3/3)暂时跳票中,求各位提供脑洞和建议...比如具体想了解火星救援的哪些东西?

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