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火星時代:人類拓殖太空的挑戰與前景

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飛越太空

2030年代,火星的紅色大地上畫過了一道不尋常的影子。

在這歷史性的時刻,第一支地球遠征隊抵達了紅色星球,許多力量推動他們的到來,包括火箭的推進力、堅定的意志,以及難能可貴的運氣。接近地表時,太空船的著陸架張開。人類利用動力降落、平安地在火星著陸,可說是真金不怕火煉。

過去,無人太空船也曾來到這裡。過去數十年來,人類送出的太空船以各種方式與火星接觸:飛掠、繞行、墜落、雷達探測、攝影、監聽、降落傘降落、還有彈跳滾動著陸、挖掘鑽洞、嗅聞、加熱、品嚐、雷射照射。

截至目前為止,火星探索獨缺最重要的一步:人類親自踏上火星。在21世紀,這個遙遠之地佈滿沙塵的表面,正要印上第一批人類的足跡。

引擎的怒吼逐漸平息、終至完全靜止,為長達數千萬公里、為時數百天的旅程畫下了休止符。到目前為止,全體成員在長途太空旅行中,承受了生理、心理,以及人際關係上的壓力。但在前方等著他們的旅程,一方面意義重大,一方面也危機四伏。這些旅行者代表著地球上參與此創舉的許多國家,而他們的到來,很有可能就此把太陽系的第三和第四行星永遠連繫起來。只不過,踏上火星是一回事,待在火星上則完全是另一個層次的挑戰。

要讓人類離開地球飛到火星,就得把非常龐大的重量扔上太空,只有靠著力量強大的火箭才做得到。送出這些人員和裝備、進行為時數個月的旅程,也涉及許多準備工作:旅途中需要食物、水、運動器材,更不用說防輻射裝備,以及非得送上火星的必要物資。

科學家和工程師已開始著手研究,火星上第一個人類前哨的理想地點。「最好的位置」不僅要考慮安全性,還必須具有科學研究上的優勢,尤其要能探討火星是否真能成為「第二個創世紀」發生的地點,孕育出生命。

為了延長人類待在那裡的時間,火星的可用資源也受到了關注。現在已有許多新式太空船的構想,具有採集火星地下冰的設計;當然也少不了強而有力的軌道通訊衛星,在地球和火星之間傳送訊息與影片。即使以光速傳遞訊息,兩地的距離還是會使一來一往的對話有所延遲。降落到沙塵大地

第一批抵達火星的成員,將受惠於先行抵達的各式無人太空船;這些太空船有的在軌道運行,有的已降落在火星表面。舉例來說,目前正繞著火星運轉的太空船包括美國航太總署的火星奧德賽號(Mars Odyssey)、火星勘測軌道衛星(Mars Reconnaissance Orbiter),以及火星大氣與揮發物演化任務(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission,MAVEN),都屬於國際合作的火星探索艦隊。此外,還有歐洲的火星快車號(Mars Express),以及印度的火星軌道任務號(Mars Orbiter Mission,MOM)。

先行抵達的機械設備,也已在火星的沙塵大地上,進行各種任務,包括火箭、降落傘、安全氣囊、甚至還有一種稱為「空中起重機」的複雜機械,成績好壞參半。美國方面成功的例子包括1976年的兩部維京號(Viking)、1997年的拓荒者號(Pathfinder)登陸器,以及拓荒者號攜帶的旅居者號(Sojourner)探測車、2004年的探測車雙胞胎精神號(Spirit)與機會號(Opportunity),還有2008年的鳳凰號(Phoenix)。而在2012年8月,美國航太總署的「火星科學實驗室任務」成功地讓車子大小的好奇號(Curiosity)探測車抵達火星表面,這是截至目前為止最大型的火星登陸太空船,總質量約900公斤。

至於載人太空船加上足以維生的居住艙,載重量又大上許多,必須使用前所未有的降落技術才能安全著陸。問題是,要把設備和人員安置在火星上的技術,比起阿波羅號把人類送上月球困難許多,因為火星的重力較大,還擁有大氣。火星的大氣非常稀薄卻不容忽視,仍足以使進入大氣的太空船過熱。另一方面,儘管有過熱的威脅,這層大氣卻又沒有厚到只用空氣動力減速的方式著陸,尤其載人任務的質量又十分龐大。

研究指出,最好的策略是先使用空氣動力減速器,直到進入火星的太空船速度抵達超音速,分離空氣動力系統,啟動降落模組火箭引擎,讓太空船在火星上動力下降,進行最後階段的降落,以及靠局部控制著陸。

但加入了人為因素,又使挑戰更加艱鉅。舉例來說,假設把第一批成員裝載在將近40公噸的登陸艇中,以降落傘降下,所需的降落傘大小相當於美國加州的玫瑰盃球場(Rose Bowl,佔地4公頃)。要把人員和用具送上火星,目前考慮採用巨型可充氣式空氣動力減速器和超音速反推進裝置。初次拜訪的地點

那麼,人類將在何處首次登陸火星?最重要的條件已經確定下來,美國航太總署也已著手尋找符合條件的地點。2015年10月,「人類登陸火星表面首次著陸地點暨探索區域研習會」(First Landing Site/Exploration Zone Workshop for Human Missions to the Surface of Mars)在美國德州休士頓的月球與行星研究所(Lunar and Planetary Institute)舉行。

在這次集會中,研究者提出了將近50個地點。華盛頓特區美國航太總署總部行星科學主任詹姆斯・格林(James Green)把這次會議形容為「歷史性的轉戾點」。他告訴與會者:「找出人類登陸、工作與進行研究的確切地點,是實現火星任務的開端。」

可能的著陸點必須符合美國航太總署已經規劃好的數個方針。首先,這個前哨周遭必須有直徑100公里以上的探勘區域;著陸的地點必須位在火星南北緯50度之間;還必須支援三到五次登陸,讓4-6人的小組執行長達500個火星日的探勘任務。

當然,選擇地點的一大關鍵是要能夠安全著陸。初到的人員必須避開巨石區、陡坡、沙丘、隕石坑和強風。降落在火星沙塵中,有可能讓太空衣、設備和居住艙的氣閘故障。著陸時如果在太空艙裡摔倒,可不只是倒楣而已。

理想的地點要能讓遠征隊執行工作,也就是要能在美國航太總署指定的「重點區域」(Regions of Interest)進行科學研究,還要能取得讓人類在紅色星球上維生的資源。關於最後這一點,美國航太總署定下了這條不可或缺的要求:任何探勘區域都必須含有至少90公噸的水,以應付人類在火星上生活15年的需要。在火星上維生

說到未來的火星之旅,美國航太總署的太空人史坦利・洛夫(Stanley Love)擁有不凡的洞見。這位太空旅行者解釋:事實上,太空人才不在乎他們要去火星的哪裡。

「不過,我們確實很在乎安全性和可操作性。」洛夫解釋:「我們會在意這地點是否會讓我們喪命,又是否能讓我們完成任務。」這位太空人特別強調:登陸火星是「風險非常非常高的任務」,就算全體人員都安穩地踏上火星表面,「光是要活著,就得花上許多時間與精力。」

洛夫又補充:有趣的是,人類登陸火星的必要條件,其實和機器人登陸火星是一樣的,只不過人類比機器人多了一項顧慮,他難過地說,那就是「排放物」。太空裝和居住艙都需要排出廢物,人類在火星上「排放」,意味著細菌和病毒會被釋放到火星環境裡。不過相對的,火星上的人既然無法避免把生物群釋放到火星,火星上的東西跑進居住艙也再所難免。

果真如此,人類的火星探勘社群就要面臨一個抉擇。太空人應該要拜訪火星上最可能有生命存在的地點進行研究,還是要把任務的重心放在「保護火星」上,盡可能避免把地球生物散佈到火星上可能最適合生命繁衍的地方?

洛夫只能說:「這是我們非得面對的困難抉擇。」
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