互动科普

科学世界：火星的重力有多大，对人体会有什么影响？

贾阳：火星表面属于低重力环境，往返途中则是处于微重力环境。人类长期生活在地球上，无论是从系统发育还是从个体发育的角度，人体的结构和生理功能都适应了这种重力环境。微重力、低重力环境会对人体产生明显的影响，并导致一系列的生理反应。地球轨道航天器中的航天员处于微重力环境，相关的研究比较多。航天员在轨道上生活的时间，最长已经达到1年以上，积累了大量数据。

火星的表面重力加速度约为3.72米/秒2，大约为地球的2/5。在长期的火星探测中，科学家们最担心的是人体肌肉和骨骼的变化，其次是心肺和循环调节功能的变化，最后是血液、体液、免疫和感觉运动功能的变化。

例如，在地球的重力环境中，骨骼肌总是处于一定的负荷状态下。一旦进入失重状态，骨骼肌的负荷消失，便会出现肌萎缩。对航天员的医学检查还发现，在失重状态下航天员从尿中排出大量的钙。这种尿钙排出量的增高从飞行一开始就出现，1个月后排出量增高到飞行前的2倍。更可怕的是这种情况会一直持续到飞行结束，无论采取什么措施，都无法消除这种现象。从尿中排出的钙都是从骨骼中流失的，使骨骼密度下降，骨质疏松，时间长了就有可能发生骨折。另外，大量的钙从尿中排出，增加了肾的负担，容易产生肾结石。

科学世界：对于这个问题有什么解决办法？

贾阳：针对飞行途中的微重力环境，一种考虑是在从地球飞往火星的航天器上，通过旋转等办法建立人工重力环境，另一种就是加强锻炼，减少低重力的不利影响。

科学世界：电影《星际穿越》、《火星救援》中都有通过旋转建立人工重力环境的场景，这在小型飞行器上是否可行？

贾阳：大小在千米级的飞行器应该是可以的，比较缓慢的旋转就能实现一定的重力。但飞船不能整体旋转，因为飞船上的设备很复杂，各有各的任务，比如太阳翼要朝向太阳，天线要朝向地球等。旋转起来这些就都成问题了。也许可以是飞船的某一个组件旋转，比如生活舱。

但是人类刚开始火星探测时，不可能有那么大的飞行器。利用人工重力，还是比较遥远的事。

《火星救援》中的赫尔墨斯号通过旋转建立人工重力环境

科学世界：那只能靠锻炼了。需要什么样的锻炼强度才能保证钙不流失？

贾阳：现在航天员在轨道上待了1年以上的，都是靠锻炼。比如国际空间站的航天员，每天的锻炼时间是小时级的。但是具体到锻炼强度与钙流失之间的关系，我也不太清楚。

如果不是短期探险后返回地球，而是长期移民，人类一代代在火星上繁衍生息，自然演化，那么人体的组织、器官等就会发生相应的变化，比如骨密度就会降低。他们会更适应火星的环境，但再来地球就不适应了。

如何让火星宜居化？

科学世界：去火星短期探险和长期定居，需要的条件有何不同？

贾阳：人类生存的基本条件包括食物、阳光、水、氧气等，长期生活的条件还包括生产工具、可开发的资源、医疗保障等等。

少量人类个体的探险型火星表面短期生存，生命保障所需要的水、食物、氧气、温度等保障条件，可以完全利用地球的资源来满足。这种类型的活动，对火星表面环境会有轻微的改变，着陆时也需要利用火星大气减速，但总体上看，人类生存所需要的资源不依赖火星。

在开发型这种较长时间的活动类型中，人类开始开发利用火星的资源，首先服务于地球和火星的往返任务，例如利用火星大气的二氧化碳资源，生产返回地球用的推进剂。然后逐渐发展到开发火星矿藏，例如开发铂等贵金属矿藏并运回地球，服务地球的社会发展。

进一步发展到移民型活动，人类移民在火星上所需的基本生存资源实现本地化，对地球的依赖仅限于少量、个别的情况。发展到一定的程度后，火星人类社会与地球之间物质交换的“脐带”，甚至心理的“脐带”都可以断开，至少不会使火星移民社会发展停滞。当然这是极其遥远的未来才有可能实现的。

我个人认为，虽然仍然存在着风险大、投资大，以及到底有什么意义等争论，但从现有的技术水平看，短期探险是可以实现的，航天员需要的各种资源均可以从地球携带。长期定居的难度相当大，需要大幅度提高火星上的资源本地化比例，涉及很多关键技术。

科学世界：火星定居的形式，是不是主要是居住在城堡里？

贾阳：当然最理想的情况是把火星表面的环境改造得适宜人类生存。有学者讨论利用小行星轰击火星两极，增加大气层的厚度；利用彗星的水资源，提高火星大气中水蒸气含量；以及利用温室效应提高火星表面温度等技术思路。这些想法都是想实现火星的全球化改造，但是我认为这是难度非常大的工程，可以说是在替“上帝”工作。

相对具有现实意义的想法，就是建设密闭的城堡，建设这样的城堡所需要的技术中，相当大的比例现在已经可以看到其原型。

科学世界：怎样可以算是具备了“宜居化”环境？

贾阳：我觉得火星宜居化环境的基本特征有4个方面。

首先是长期性。宜居化的目标是人类在火星表面的长期生存，因此宜居化环境建设涉及的方法、技术需要符合可持续发展的需要，不能对周边环境产生危害。

其次是安全性。宜居环境要着眼于人类居住的安全，例如通过多个居住区的局部隔离、备份冗余等手段，使生态系统具备一般性故障的应对能力。对小概率的灾难性事件，也需要具有一定的应对能力，如陨石撞击等。火星离小行星带更近，而且大气稀薄，落到表面上的陨石会比较多。将城堡建在半地下，也有利于避开陨石的撞击。

然后是自给性。随着宜居化技术的发展，资源的本地化满足程度逐渐提高，系统对外部资源的依赖局限在少量火星稀缺资源，实现绝大部分资源需求满足的本地化。

最后就是发展性。利用火星资源，发展技术，不断提高环境的宜居程度，实现持续发展。

科学世界：再具体谈谈定居火星还需要研发哪些技术吧。首先是如何获取电能？

贾阳：火星与太阳之间的距离比地球更远，表面的太阳辐照强度只有地球表面的40%左右，而且在尘暴发生时，阳光的直射分量会减少，散射分量会增加，这些都对在火星表面进行太阳能利用有影响。

为了减少灰尘的影响，考虑过多种方案，比较可行的方案是在太阳能电池片上增加具有特定微观结构的玻璃盖片，使得灰尘不易附着。在火星轨道发电，再利用无线输电的方式传送到火星表面，也是解决这个问题的好方法。

在轨道上发电比较稳定，不受天气影响。我国也在进行无线输电的研究。无线输电主要有两种方式，分别是通过微波和激光。激光的准直性好，地面接收能量的面积可以比较小。我觉得无线输电在原理上已经没有什么问题了，现在需要的是在工程技术上更成熟。小规模的技术验证应该随时可以进行。当然，要在轨道上建设兆瓦级发电站，并将电力无线传输到地面，难度还是很大的。

科学世界：在火星上利用核能、风能等发电，在技术上是否可能？

贾阳：随着人类航天活动的发展，核能利用成为一个技术趋势。核能的利用包括衰变、裂变、聚变等不同的形式，解决不同的能源需求。人类在地球上已经积累了核能安全利用的丰富经验，但是在火星安全利用核能还是有很大的技术挑战。

风能利用难度也很大，因为火星大气密度只有地球表面的不到1%，即使风速10米/秒时，能够利用的能量也不多，如何利用现在还没有成熟的技术思路。

也有学者讨论过温差发电等技术思路，但是技术上都不成熟。

（本文发表于《科学世界》2016年3期）