載人航天如果要走向深空，需解決哪些基礎技術問題？

首先祝賀天宮二號發射成功。我們終於建立了自己的空間實驗室，航天員將能夠在近地軌道工作和生活30天，開展一定規模的科學研究。再過幾年，我們就將擁有自己的空間站了。

今天恰逢中秋。仰望明月，我們不禁想，有沒有可能真正在月球建造「廣寒宮」呢？或者更遠，人類有沒有可能登陸火星呢？實際上，這些夢想可能會在不遠的將來變成現實。比如，我國的科學家們正在論證思考載人登月的可行性[1]，美國從布希政府提出的「重返月球計劃」也早已切換到奧巴馬政府更加具有野心的「載人火星計劃」（圖1）。今年，一些航天公司也來湊熱鬧。5月23日，洛克希德馬丁公司透露，將在2028年前發射一艘命名為「火星大本營」的載人飛船搭載6名宇航員於2028年進入環火星軌道[2](鏈接有震撼視頻)。6月2日，艾倫-馬斯克宣布，SpaceX將於2024年開始執行載人火星登陸計劃，並將在2025年到達火星[3]。月球已被納入地球經濟圈，美國政府首開先河，批准私營公司開展登月活動[4]。且不說月球是否能開採到有用的資源，美國政府的鼓勵是否會掀起月球圈地運動？不管怎樣，隨著人類文明發展和科技進步，人類的探索疆域逐步向海洋、大氣、近地軌道甚至月球拓展。二十一世紀，人類將有望實現地外移民，小行星、火星等地外星體將留下人類的足跡。正如航海時代創造的奇蹟一樣，載人深空探索將會創造人類發展史的下一個奇蹟。

圖1 NASA的載人深空探索路線圖（摘自NASA）

言歸正傳，面對一個遙遠的、存在眾多未知因素的星球，載人深空探索會面臨一系列前所未有的技術挑戰，包括剛才前幾位討論者提到的動力推進技術、進入著陸技術、再生式環控生保技術、航天員的生理心理問題、長期失重問題等等。我想再從人類在地外星球生存與發展面臨的根本問題，跟大家進一步探討可能涉及的技術。我們知道，航天員平均每天要消耗約0.9kg的氧氣，並排出大約1kg左右的二氧化碳，並且每天需要飲用大約2.5kg的水，食用約0.6kg的食物，還需保持合適的溫濕度環境。以載人火星探測為例，為保障最小乘員組（假定6人）一個任務周期（假定2年）長期生存的基本物資需求約18噸，也難怪NASA曾設計出一個重達400噸的「火星船」。因此，若人類想真正實現地外生存，則必須要擺脫對地球母親的依賴，充分利用原位資源，就地取材，滿足自身需求。因此，美國NASA最新發布的載人探索技術路線圖的核心就是原位資源利用（ISRU），包括原位資源的探測、提取與利用。事實上，通過利用原位資源，將大大減少必須從地球攜帶的物資，因此將會大大降低航天任務的成本。原位資源利用是人類「脫離地球的生存能力」。對火星移民者來說，火星上兩種潛在的資源，即大氣中的二氧化碳和淺表土壤中的水，是生存與發展的基礎。有證據顯示火星淺表廣泛存在水，即使在赤道區域也是如此。如果這些水可提取，這不僅可為人類提供飲用水，而且將可製備氫和氧。但這種形式的原位資源利用其主要難點不在於方法本身，而在於淺表水資源的勘探。這需要利用氣球、飛機或滑翔機、著陸器、軌道器等多種平台攜帶探測儀器進行大範圍淺表觀測。在獲取了氫資源的基礎上，還可以利用火星大氣的二氧化碳與氫反應生產甲烷和氧氣，為返回地球提供推進燃料。另外，火星移民者還需利用土壤資源生產建築材料、提取金屬材料，進行基地建設和工業生產。這可能需要突破顆粒輸運、分離，激光/微波加熱、化學處理萃取、3D列印原位製造等技術，感覺像需要建一系列工廠啊。

最後，還需強調的是（NASA的路線圖有點忽略啊），以上的一切一切都需要能源啊！因此，原位的能源收集與轉換也是非常重要的，這也是我們團隊研究的重點方向之一。火星上可原位獲取的能源形式主要包括太陽能和風能，月球上可能只有太陽能是可以直接獲取的。但是，和無人探測器相比，有人地外基地的能源需求(電能+熱能)要大的多。月夜和火夜無法獲取太陽能時，無人探測器採用的同位素電源區區數十瓦，最多上百瓦的能量對載人系統來說根本不夠用。靠化學儲能電池的話需要數噸的重量，但這都需要從地球提供。因此，利用地外天體土壤儲能也是原位資源利用的一種重要方式。

我們再次反觀地球，我們賴以生存的家園。正如著名經濟學家鮑爾丁（Kenneth E. Boulding）所形容的「地球就是太空船」，人類唯一賴以生存的地球僅僅是茫茫無垠的太空中一艘小小的飛船。人口和經濟的不斷增長將使我們人類面臨與載人深空探索一樣「有限資源的窘境」。只有可持續的能源與資源利用，才能使我們的地球飛船足夠容納我們大家。

參考資料鏈接

[1]張柏楠：中國實現載人登月的日子不會太遠--科技--人民網

[2]美洛克希德馬丁公司計劃12年內將人送往火星

[3]馬斯克：2024年開始執行載人火星登陸計劃_TechWeb

[4]美國首次批准私營公司登月

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