人類已将載人火星任務提上日程。美國宇航局（NASA）估計，該任務的開展将耗時兩到三年，宇航員也要面對重重危險，最大的威脅是弱重力、太空輻射以及對食物、水和空氣的擷取。NASA目前正開發相關技術以應對種種挑戰。
1962年，時任美國總統約翰·肯尼迪在萊斯大學對人群表示，美國希望在2020年前，即58年内，将人類送上月球，因為這是項艱巨任務——不過美國登月計劃的目标不僅僅是克服困難實作壯舉。
肯尼迪還談到登月有望拓展我們對宇宙和環境的認知，推動應用範圍遠遠超航空航天領域的新技術發展。
他說的沒錯。NASA的阿波羅計劃不僅帶來了關于月球和太陽系的大量新知識，更為現代計算機奠定基礎，實作了從巡航控制到可充電助聽器電池等一系列科技進步。
美國宇航局的新目标是在2040年之前将人類送上火星。如果我們承認登陸月球已為難事，那麼安全落地紅色星球可謂無比艱險。
藝術家筆下宇航員生活于火星的圖景：兩名身穿宇航服的宇航員走在紅色岩石表面，背景是一片橙紅天空，以及幾座未來主義風格的建築和一輛火星探測車
月球距離地球約38.4萬千米。NASA的阿波羅11号能在短短8天内将宇航員送達月球并傳回，飛船上裝了宇航員所需的所有食物、水和氧氣。
火星與地球的最近距離達到了5460萬公裡。NASA估計，前往火星的載人飛船需要大約7個月才能到達目的地；考慮到返程和在火星上的探索工作，任務或将持續兩到三年。而要給如此漫長的地-火旅程配備物資，其成本将是天文數字。
除了找到替代方案為宇航員提供任務期間維持生命必需的東西，NASA還要保護他們免受長期離開地球可能帶來的諸多健康威脅，以及一些火星特有的風險。
下面列出了未來火星宇航員面臨的5大威脅，以及科學家為克服每個障礙所能采取的對策。
障礙1：無食物
NASA要将火星任務所需的大部分食物都運送到火星，可以跟宇航員擱一起送，也可以先于人送達，關鍵在于食物本身——他們希望既有預包裝食品，又有新鮮食物，這有助于降低運輸成本，確定宇航員保持健康，還能避免菜品單調。
對策：火星種植業
怎麼吃到新鮮食物？現做嗎？答案是肯定的，解決方案則是在火星上搞農業。按照NASA的想法，運輸種子比運食物經濟很多，而且火星上已有水和二氧化碳；當然，難點在于火星并非種植農作物的理想環境，即便建立溫室。
火星上不僅陽光微弱、水源有限，其土壤也迥異于地球。正如紮克（Zach）和凱利·韋納史密斯（Kelly Weinersmith）夫婦在其著作《火星上的城市》（A City on Mars）中所寫，火星塵土含大約1%的高氯酸鹽，這種化學物質可能破壞人體甲狀腺。
NASA方面目前正研究農作物在國際空間站（ISS）微重力環境下的生長方式，同時在模拟的火星栖息地測試室内種植系統，還推出深空食品挑戰賽（Deep Space Food Challenge），激勵關于火星食品系統的設計。
NASA宇航員塞雷娜·奧尼翁-錢塞勒（Serena Auñón-Chancellor）在國際空間站收獲種植的羽衣甘藍和生菜
障礙2：弱引力
火星引力隻有地球的1/3，而且NASA通過對國際空間站宇航員的研究已知，長時間身處微重力環境會導緻嚴重骨質流失、肌肉流失、視力問題以及其他健康問題。
大多數國際空間站任務時長都不超過六個月，而且NASA尚無任何宇航員曾停留太空超過371天【俄羅斯宇航員瓦列裡·波利亞科夫（Valeri Polyakov）保持着437天的最長紀錄】。火星的重力比地球小得多，但比ISS的大很多，是以目前難以估計兩三年的失重會對宇航員造成何種影響。
對策：解鎖健康姿勢
NASA的人類研究計劃（HRP）正在地球和國際空間站上圍繞火星模拟系統展開分析，以求更深入了解各種問題并制定有效對策。NASA會在即将到來的阿爾特彌斯任務再送宇航員至月球表面，屆時HRP的部分研究将于月球上繼續。
鍛煉或可減輕部分負面影響。ISS的宇航員每天鍛煉兩個小時以減緩骨骼和肌肉流失；不過他們仍會損失大量肌肉品質。
NASA運動生理學和對策實驗室的團隊正開發鍛煉程式，以求幫助火星宇航員在太空旅行中和火星上通過運動保持健康。伊利諾伊大學厄巴納-香槟分校的一項受到NASA資助的研究嘗試确定有無可能在不要求宇航員流汗的情況下收獲運動對細胞的益處。
另一方面，加州大學戴維斯分校的科學家發明了一種轉基因生菜，它能分泌特定激素刺激骨骼形成。
得克薩斯大學西南醫學中心的團隊正研發一種睡袋，旨在防止宇航員睡覺時腦部産生積液，進而避免微重力導緻的視力問題。該項目同樣由NASA資助。
NASA格倫研究中心（Glenn Research Center）的運動生理學和對策實驗室正進行實驗：頭戴頭盔的參與者被懸挂在一個複雜的安全帶系統中，旁邊是穿着實驗服的科學家。這個裝置似乎是實驗或訓練裝置的一部分
障礙3：太空輻射
地球核心由熔融金屬組成，它使地球周圍形成磁場，即所謂的“磁層”（magnetosphere）。磁層保護我們免受太陽和宇宙輻射傷害，防止大氣層被太空侵蝕。
其他一些行星也有磁層，但火星不在其中，這意味着登火的宇航員将無法獲得保護，其遭遇癌症等健康問題的風險大大增加。
對策：限制停留，建造庇所
輻射對宇航員的影響已成為NASA最關心的問題。國際空間站宇航員受到的輻射量比地球上高出100倍，是以NASA對他們在職業生涯中停留ISS的時間有限制。但要知道，即便是空間站，也處于磁層保護之下，去到毫無磁層的火星，情況會怎樣……
NASA于2014年制定了輻射極限值——該标準較其他航天局的保守很多，甚至令載人登月和火星任務根本無法實作，是以目前NASA正嘗試根據最新資料和專家意見确定新的限值。
新限值相比宇航員在火星任務期間所接觸的輻射量，可能仍有差距，不過NASA等機構的研究人員正制定政策以求最小化輻射接觸，包括防輻射背心和特制火星防曬霜。
建造火星庇護所也是一種防輻射政策。建造位置可以是在地下、古老熔岩管中或天然懸垂岩石下。此外NASA甚至考慮在火星上建立一個人造磁層，這不僅有助于解決輻射問題，而且随時間推移，将使火星大氣層更厚。
圖中三人正檢查一團黃綠色物體和一小罐黃色粉末。他們眼前的東西是真菌狼苔（Wolf lichen）及其提取物，有朝一日可能被用作火星宇航員的防曬霜
障礙4：無液态水
宇航員要喝水，耕作和衛生工作甚至返程火箭燃料也都要用到水，但火星表面幾乎無液态水。水密度大且不可壓縮，是以從地球運水資源至火星的成本太高。
對策：到地下取冰
火星地表很幹燥，但在地表以下，有大量水以冰的形式存在。其中大部分都位于兩極附近，但那些區域溫度極低。
2017年，NASA啟動地下水冰測繪（SWIM）項目，旨在使用軌道航天器繪制火星地下水冰圖。來自該項目和其他任務的資料顯示，赤道附近其實也埋藏着大量冰層。
NASA将利用這些地圖為未來載人火星任務選擇着陸點。理想地點是靠近大量冰層的區域，宇航員可通過挖掘或鑽探進入，并盡可能靠近赤道以保暖。
宇航員在火星上捕獲的任何水（用于制造火箭燃料的除外）都可使用類似國際空間站的系統進行反複回收，而ISS上的水回收率高達98%。
NASA火星勘測軌道飛行器發現了上圖所示的因隕石撞擊而暴露的地下冰
障礙5：不可呼吸的大氣
火星大氣非常稀薄，其中96%都是二氧化碳，僅含0.16%的自由氧。地球大氣層比火星厚100倍，氧氣含量約20%。隻要你膽敢在火星表面呼吸，即刻就會窒息。
宇航員可以攜帶氧氣登火并循環使用部分氧氣，就像在國際空間站上那樣，但運送足夠多年使用的氧氣将耗費巨大成本。
對策：電解二氧化碳
NASA希望從火星的二氧化碳中提取氧氣。
他們開發的一款面包機大小的裝置，MOXIE，于2021年搭乘毅力号火星車前往火星，以測試用火星空氣中制造可呼吸氧氣的可行性。到達目的地後，MOXIE利用電力分解二氧化碳，最後成功産出火星上的第一份氧氣。
這是一項非常小規模的實驗，但NASA目前正利用從MOXIE獲得的資訊開發一個更大型系統，該系統可于載人任務之前被發送至火星。有關MOXIE的計劃還包括制造可用作返程火箭燃料的液氧。
NASA研究人員将MOXIE裝入毅力号火星車
除了上述五大障礙，火星宇航員還面對其他諸多威脅，例如可能長達數月的沙塵暴。這些沙塵暴有時會覆寫整個星球，損壞裝置，阻擋陽光到達為生命維持系統供電的太陽能電池闆。（這也是NASA探索向火星發射核反應堆可能性的原因之一。）
此外，長期遠離家門、隔絕人群的孤立生活可能影響宇航員心理健康，是以NASA的行為健康和表現團隊正研究確定宇航員在執行任務期間保持心理健康的方法。
解決各種問題需投入大量心血和資金，但NASA相信這是值得的。
載人火星任務不僅可以增進我們對太陽系的認知，甚至有望首次發現外星生命，而且針對火星的研究也可能對地球生命産生積極影響，就像阿波羅計劃一樣。
例如，2021年，NASA的太空輻射組（Space Radiation Element）加入了白宮的一項倡議，旨在到2047年讓美國癌症死亡率降低50%。
美國宇航局局長比爾·尼爾森（Bill Nelson）表示：“NASA的科學家幾十年來一直研究癌症，重點關注宇航員面臨的風險。通過這一計劃，我們将與政府各機構和研究人員合作，推動終結已知癌症。”
NASA還希望，為火星宇航員提供食物而開發的技術能揭示在資源有限的不宜居住地區種植農作物的方法，進而為消除饑餓做出貢獻。
資料來源：
T-Minus: How to not die on (the way to) Mars
END
《世界科學》雜志版在售中 歡迎訂閱
月刊定價15元/期
全年訂閱價180元
訂閱方式一：
“雜志鋪”訂閱有折扣～
訂閱方式二：
全國各地郵局訂閱。郵發代号：4-263
訂閱方式三：
機構訂閱，請撥打
021-53300839；
021-53300838
推薦閱讀嫦娥五号帶回的月壤搗鼓出了個啥？“地外光合作用”可實作，人類建設月球基地可期
嫦娥五号攜回的月壤的最新研究結果來了：月岩年齡19.6億年…這意味着什麼？
Nature：嫦娥5号發現月球存在千億噸水源埃隆•馬斯克的獵鷹重型運載火箭發射成功
60年前人類就已登月，為何現在還這麼難？
阿爾忒彌斯1号終于發射！NASA 重新開機登月計劃為哪般？阿波羅11号，除了登月第一人，你還記得誰？