怎樣才能在火星生存1000天？
地球人如何在火星上生存？正如貝爺拍攝的系列紀錄片《荒野求生》被很多戶外運動愛好者作為野外生存指南一樣，由馬特·達蒙主演的年度科幻大片《火星救援》以其豐富的科學內涵，在一定程度上可以作為人類登陸火星前的火星生存手冊。《火星救援》由20世紀福克斯電影公司拍攝，上映一周就輕鬆登頂北美電影票房冠軍，上映後的同期票房業績與2013年的《地心引力》（5579萬美元）相當，比去年上映的《星際穿越》（4751萬美元）高出16%，並於近日正式登陸中國大陸院線。由於《火星救援》中加入了許多中國元素，可以預見上映後將在寒冷冬日掀起觀影熱潮。
一、劇透篇：業餘太空迷成就火星人
1.業餘太空迷寫就科幻大作
影片《火星救援》根據安迪·威爾（Andy Weir）2012年出版的同名小說（The Martian）改編。台灣三采出版集團翻譯出版了繁體中文版，書名為《火星任務》，大陸譯林出版社引進出版了簡體中文版。
作者安迪·威爾的正式工作是一名電腦程序員，也是一位業餘的科幻作家。安迪·威爾是一位狂熱的太空迷，他甚至利用專業特長，編寫了一個專門用於計算從地球到火星旅行所需航行時間的程序。他曾經預測人類將在未來二三十年內登陸火星。
實際上，《火星救援》早在2009年就已經寫作完成，安迪·威爾把這部小說放在自己的網站上連載，供人免費閱讀。由於讀者反響不錯，他把小說放到亞馬遜網路書店上出售，定價0.99美元，如此一來，喜歡該書的讀者就可以在Kindle上方便地閱讀。短短3個月《火星救援》就賣出了3500份，榮登亞馬遜2014年科幻類暢銷書榜首。更幸運的是，這部小說被好萊塢看中，拍成了同名電影，安迪·威爾也由此成名。
自出版起，《火星救援》經受了科幻迷、太空迷和專業人士的檢驗，得到眾多好評。功勛航天員克里斯·哈得費爾德（Chris Hadfield）評價認為，作為一部科幻小說，故事講得非常精彩，而且技術上有很高的準確性。
《火星救援》是一部3D科幻片，英文片名為《The Martian》，中文片名則五花八門，《火星任務》、《絕地求生》、《絕地救援》、《火星人》等等。若從書名直譯，翻譯成「火星人」也能接受，但考慮到影片的核心主題，翻譯成「火星救援」更為合適。
執導《火星救援》的是好萊塢著名導演雷德利·斯科特（Ridley Scott），生於1937年的他曾經執導過《異形》（1979）、《銀翼殺手》（1982）、《末路狂花》（1991）、《角鬥士》（2000）、《普羅米修斯》（2012）等知名影片。斯科特執導的片子以畫面感見長，畫面精美，細節豐富，道具精緻但又十分寫實。
曾獲奧斯卡最佳男主角的馬特·達蒙（Matt Damon）領銜主演《火星救援》。達蒙也曾飾演《拯救大兵瑞恩》中的大兵瑞恩。影片中，主人翁被獨自留在火星上，其他演員都圍繞拯救他回到地球的故事展開，所以幾乎成為馬特·達蒙的獨角戲。傑西卡·查斯坦、塞巴斯蒂安·斯坦、阿卡塞爾·亨涅和凱特·瑪拉等眾多明星聯袂出演。
2.拯救太空大兵馬克
《火星救援》的背景是美國國家航空航天局（NASA）在2030年實施的載人登陸火星任務。梅麗莎·劉易斯（由被稱為好萊塢「勞模姐」的傑西卡·查斯坦飾演）擔任火星考察隊的領隊，率領航天員乘組登陸火星表面。在執行任務的第六天，遭遇了突如其來的沙塵暴襲擊。劉易斯當即決定提前結束任務，航天員乘組緊急撤離火星，返回地球。撤離過程中，航天員馬克·沃特尼（Mark Watney）被狂風吹起的金屬天線戳破了宇航服，身體受傷，宇航服開始漏氣，服內壓力逐漸下降。昏倒的馬克與隊友們失去聯繫。萬幸的是，從馬克身上傷口流出的血液在火星極低的氣溫下快速凝固，堵住了宇航服上的漏洞，馬克得以保命。
當馬克跌倒時，恰好壓壞了安裝在宇航服上的生命檢測系統。隊友們收到的信息顯示馬克已經罹難。由於天氣十分惡劣，無法開展搜救，在緊急情況下，隊友們不得不按照航天任務流程，立即撤離火星。
馬克孤身一人被遺棄在火星上。此時，登陸艙已經被沙塵暴損毀、生存物資補給不足、眼前是一片荒涼而狂野的火星戈壁。面臨重重困難、孤立無援的馬克必須想方設法在火星上生存下去，並堅持到隊友們來救他回地球。
馬克先是包紮自己的傷口，然後利用火星定居點的儲備物資，積極生產自救。他重新排布太陽能電池供電系統，清點食物，根據生存所需的最低熱量需求，估算所能支撐的時間。他搭建了蔬菜大棚，用地球上帶去的一小部分土壤與火星土壤和自己糞便混合，生產出有利於作物生長的、富含微生物的土壤，在火星上種起了土豆。他找到之前火星任務遺棄的探路者號火星車，利用火星車上的天線重新與地面取得聯繫，把自己仍然存活的信號傳回地球。NASA立即組織世界各國的優秀科學家和工程師，與正在返回地球的航天員乘組密切合作，準備重返火星、拯救馬克。
很顯然，這是一部發生在太空中的美國西部片，是火星版的《荒野求生》，也是太空版的《拯救大兵瑞恩》。這部片子展現了人類集體的努力，以拯救馬克回到地球，除了火星的惡劣環境外，沒有人會阻止他回到地球，馬克最終得以平安歸來。
二、乾貨篇：火星生存之道
1.居住艙——火星上的家
居住艙是馬克在火星上的家，也是電影中的主要場景之一。居住艙具有溫度、濕度和空氣調節功能，航天員在居住場內活動不需要穿著笨重的艙外宇航服，可以穿得和地面上一樣。這是馬克在火星上得以生存下來的重要保障，也是人類未來探索火星之前必須要解決的重要前提。
現實中，NASA在休斯敦的約翰遜航天中心建立了火星生存模擬系統，航天員在那裡進行訓練，為火星上的長期生存做準備。火星生存模擬系統擁有獨立的生命保障系統，分為上下兩層，包括起居間、工作站及模擬氣閘艙。根據實驗效果，目前這套系統還在進一步改進，以適應未來的火星表面生存和作業。
2.輻射防護——尚待解決的難題
《火星救援》中對火星輻射的描述相對較少，這非但不是火星上的輻射較弱，而是因為火星上的輻射太強，以至於至今還沒有研發出適當的防護手段。
實際上，在載人前往火星的途中，航天員主要面臨兩類危害健康的輻射粒子：
一類是劑量較低，但長期存在的銀河宇宙射線。能量高、穿透性強，很難防護，普通的飛船外殼基本上無法阻止它們，即使是30厘米厚的鋁板，防護效果也極為有限，嚴重威脅航天員健康。
另一類是太陽耀斑和日冕物質拋射時產生的太陽高能粒子，通常是指能量為數百兆電子伏特的質子，能量比銀河宇宙射線的能量要低得多，持續時間較短，利用飛船外殼可以進行有效防護。預測未來的載人火星飛船很可能會配備一間『太陽風暴庇護所』，在太陽風暴發生時，航天員可以躲進庇護所，抵禦來自太陽的高能粒子。
在載人登陸火星前，科學家希望了解火星上的輻射環境，以便為航天員設計有效的輻射防護系統。2011年11月26日發射的好奇號火星車搭載了一台輻射評估探測器（RAD），測量飛船內部的高能粒子輻射環境，目的是為未來載人火星旅行提供基礎數據。根據2013年5月31日發表在《自然》雜誌上的文章，按照RAD的測量數據，航天員在火星上接受的累計輻射劑量，相當於每星期接受一次全身CT掃描。
隨著科技的進步，未來有可能會發現一些新型的輕質材料，或許會比鋁板具有更好的防護效果。但即使找到這種新型防護材料，也只能降低部分輻射劑量，穿透防護材料的射線仍然會對人體健康產生危害。因此，防輻射是航天員登陸火星面臨的重要難題。現實的選擇是就位利用火星土壤，加入粘結劑固結成型，或用包裝物填充火星土壤，一定厚度的土壤將可以有效地降低太空輻射對航天員的危害。
3．生命之基——再生水回收和氧氣生產
水是生命之源，火星上的水資源實在太珍貴了，沒有水航天員在火星上將完全無法生存。雖然水在太陽系中非常豐富，火星上也曾經有過大規模的水，以及許多河流和湖泊。但現在的火星上還沒有找到可用的水源，NASA剛剛宣布發現的火星液態水也只是含有高氯酸鹽的有毒滷水，分布在少數的火星撞擊坑陡坡上。航天員火星生存所需的水仍是一個困難，因此再生水回收系統就變得非常重要。
影片中，聰明的馬克每天計算自己所需攝入的熱量（卡路里）和水，他不會浪費任何一滴水，在沒有任何外來資源和地面救助的情況下，他研發了一套再生水回收系統，儘可能收集火星居住艙內的所有水氣，讓自己得以生存下去。
現實中，這樣的再生水回收系統已經在國際空間站上得到了成功應用。在國際空間站，同樣不會有任何一滴汗水、眼淚或尿液被浪費。這種新的凈水系統被稱為「水膜」，這種隔膜利用納米技術和調節生物體水分的蛋白質技術，可以將汗液、尿液等廢水轉化為可飲用水。
利用這套再生水回收系統，國際空間站內收集的水分經過過濾、凈化後循環利用。有位航天員曾經形象地說過，在國際空間站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。個中含義，想必你懂的，在紀錄片荒野求生和地震救援中，很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其實，這一幕每天都在國際空間站上演……
除了住所、食物和水，在火星上生存還有一項重要的條件：氧氣。火星上沒有氧氣，馬克無法隨意進行艙外活動，他必須隨身攜帶氧氣補給。月球生存未來所需的氧氣或許要依靠鈦鐵礦和氫氣的氧化還原反應生產水，然後用水來電解產生氧氣。火星生存所需的氧氣也來自於水的分解，以電解方式分離水分子中的氧氣和氫氣，這套制氧設備已經成功用於國際空間站。氧氣釋放到空氣中用於維持生命，氫氣則進入制水循環系統。
4．火星農場——改造火星土壤
《火星救援》中，航天員馬克是一位植物學家，他被選中作為航天員登陸火星的原因是為了研究火星引力對植物生長的影響，並篩選可以在火星上存活的植物。
要想種植作物，首先需要培養土壤。火星土壤與地球土壤的物質組成基本相同，但是地球土壤里有微生物群落，某些特定的養分只能通過微生物來提供，而火星土壤中沒有微生物。因此，馬克帶著少量的地球土壤和一把種子登陸火星，希望試驗不同比例的火星土壤與地球土壤混合來種植作物。
但是，馬克只帶了一小盆地球土壤，以及地球上最頑強且最容易種植的作物種子——幾種野草和羊齒草，只是為了把它們作為測試作物。
火星上沒有有機物和微生物。影片中，馬克把所有能找到的有機物收進廚餘桶都儲存起來。按照之前的任務設計，航天員的糞便經脫水、滅菌後裝進密封袋裡，再遺棄到火星表面。
但現在，這些糞便將發揮重要作用。馬克甚至出艙撿回隊友們之前遺留的完全脫水乾燥的糞便，雖然這些糞便已經完全不含微生物了，但還有複雜的蛋白質。馬克找了一個大容器，加水並加了一點自己的糞便，接種微生物後即可大量繁殖，味道越臭，表示微生物繁殖得越好。（溫馨提示：有心理障礙者，觀影前請做好心理準備）
僅有糞便作為肥料是不夠的。地球土壤中有幾十種不同的微生物，而火星土壤中沒有。馬克在糞便中加入火星土壤鋪開，再加入一點地球土壤，讓地球土壤中的微生物感染火星土壤，這些微生物至關重要，是作物生長的關鍵。一周之後，火星土壤就會被改造成充滿微生物的地球土壤，支撐作物生長。每周被改造的土壤規模都會增加一倍。
這裡我們需要做一個數學題：居住艙地面約有92平米，整個地面都鋪上10厘米深的火星土壤，總共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住艙里，但實際上每次只能搬動0.1立方米的火星土壤。因此要建設一片92平米的火星土壤，馬克需要進出壓力艙92次。同時，要改造火星土壤，每立方米就需要40千克的水，建設一片92平米的菜園，需要368千克的水才可以。居住艙里擁有最先進的凈水器，人類每天生存需要3千克水，每名航天員有50千克的水循環使用，所以居住艙共有300千克水可供使用。即使把所有水都用上的話，只能灌溉62.5平米的菜園。那麼問題來了，怎樣才能獲得新的水源？被改造的62.5平米的土壤能種出多少食物？能否維持馬克的生活呢？別著急，後面繼續數學計算。
5．種植土豆——火星農業的試驗田
《火星救援》中，馬克把部分居住艙改造成了自體循環的小農場，靠種植土豆維生。為了拍好電影，劇組也真的在攝影棚內種了土豆，並完全任其自然生長，以模擬馬克在火星上種植食物求生的場景。原著小說也有大部分內容詳細介紹火星生存所需的農業種植技術。因此，種植農作物是太空探索和火星探測的重要項目。
馬克從食品中尋找任何可以種植的作物，如豌豆、菜豆、土豆。要獲取熱量，最佳選擇是種土豆。土豆可以大量繁殖，而且土豆也能提供相當不錯的熱量（每千克含有770卡路里的熱量）。
「我很確定我手上的這批是可以發芽的土豆，問題是我沒辦法種出足夠數量。」
好吧！繼續我們的數學題。在62平米的菜園裡，400天可以種出150千克的土豆（食物吃光的期限），有11.55萬卡路里的熱量，每天可以提供288卡路里。但以馬克的身高和體重，即使稍稍餓點肚子，每天也需要1500卡路里的熱量。要維持生計，實在還差的太遠。
如果光靠土豆，只能支撐多少天呢？76天！幸運的是，土豆可以重複收穫，76天裡面還可以再種出2.2萬卡路里的土豆，還可以供應15天。因此，馬克在火星上生存的時間可以從400個火星日延長至490個火星日。但他需要活到第1412天，才可以等到救援。因此，至少還缺1000天的食物，那麼馬克又是如何解決食物問題的呢？
在國際空間站上，航天員通過定時的貨物補給獲得豐富的食品和生活設施。就在今年，國際空間站已經成功栽培出新鮮的蔬菜。在空間站上，蔬菜屬於極具開發潛力的新鮮食材，只要用有色光線控制，蔬菜就會乖乖生長，按時供航天員食用。其中生菜是最容易種植的蔬菜品種。
但在6500萬千米外的火星，馬克必須實現自給自足。因為即使地面馬上發射飛船，最快也要9個月後才能把食品送到火星上。因此，需要篩選適應火星環境的作物種類，在火星上種植作物，不僅可以確保未來登陸火星的航天員能夠滿足營養需求，還可以大大減輕需要從地球上運送的物資重量，顯著降低載人登陸火星的技術風險和經費成本。
6．模擬試驗場——地球上的「火星基地」
《火星救援》原本計在澳大利亞拍攝，但被當地政府拒絕。後來只能選擇在匈牙利首都布達佩斯拍攝，因為當地擁有世界上最大最高的攝影棚之一。
影片中壯麗的「火星表面」場景，是在約旦著名的「玫瑰沙漠」瓦迪拉姆（Wadirum）取景的，最終的效果由實景拍攝加上CG技術共同完成，讓觀眾真假難辨。CG技術是指影片本身在真實場景中拍攝並由真人表演為主，但穿插應用了大量虛擬場景、角色、事物、特效等對象。瓦迪拉姆沙漠寸草不生，除藍天白雲提醒我們仍在地球上外，空曠無垠，滿地紅沙，恍如真的遊歷在火星表面。
為訓練航天員和研發載人登陸火星的相關技術，科學家在美國猶他州的沙漠和非洲摩洛哥的撒哈拉沙漠北部也都找到了火星表面的模擬場景，並設立觀測站開展長期觀測和研究。
在漫長的飛行旅途以及火星生存過程中，如何緩解心理孤獨是一大問題。影片中，馬克在火星上生存的整個過程中，都十分清醒而鎮定，展現了一個航天員的優秀品質。如果換成是普通人，一旦知道自己沒趕上回地球的飛船估計就已崩潰。馬克卻表現出異於常人的冷靜和堅韌，救治傷口、清點食物、計算每日所需、建設火星農場、培育土壤、種植作物，一切安排都井然有序，有條不紊。
偌大的火星上，只有孤零零的一個人。
種地之餘，馬克想方設法自己找樂，他有時坐在山丘上沉思，有時面對攝像頭促膝談心。此時，他想到的不是如何從火星上逃回地球，不像荒島上的魯濱遜等待海面上的大船，因為從火星上逃回地球和碰到有人路過的可能性都不存在。馬克首先想到的是生產自救，在火星上活下去。這個被遺棄在火星上的航天員由此在陌生的紅色行星上拓荒，就像牛仔拓荒美國西部一樣。
三、期待篇：中國太空大片何時到來
從《地心引力》，到《星際穿越》，再到《火星救援》，好萊塢一年一部太空科幻片的節奏，每一部都表現不俗。這些太空科幻片宣揚了美國人的探索精神，輸出了美國文化的影響力，片商們更是賺足了銀子。
反觀國內電影界，數量龐大的科幻迷們，翹首以待這麼多年，何時才能看到硬科幻的太空大片呢？除了宮斗、神劇之外，中國太空大片何時才能實現零的突破？
太空科幻片既具有顯著的商業價值，又滿足了人類的好奇心，傳播了探索未知世界的科學精神。拍攝太空大片僅有強大的特技製作能力是遠遠不夠的，特別需要天文和行星科學家、航天工程師們的深度參與，才能使每一個細節都不違背科學常識，每一項技術是基於現有技術能力的合理拓展，而這恰恰是太空大片拍攝的難點所在。好在有消息稱，《三體》已經開始進行影片製作，期待能夠儘快填補空白。
極其緊迫的情況下，為了拯救遺棄在火星上的失聯航天員馬克，NASA飛越大洋找中國航天局尋求支持。美國貨物補給火箭發射失敗，飛往火星的航天員們面臨餓死的風險。此時中國的「太陽神」（其實太陽神就是阿波羅，中國火箭當然不會用這個名稱）重型火箭已經完工，正好準備發射。美國人承諾未來同樣會給中國載人登陸火星計劃提供幫助，以此作為交換條件，用中國的太陽神火箭，把食物補給運送給航天員乘組。
火星的自然環境與地球最相似，是太陽系中唯一經改造後適合人類長期居住的天體。我們在20世紀實現了載人登陸月球，人類第一次有能力登陸地球之外的另一個天體；21世紀的上半葉，人類將實現登陸火星的夢想，這將是人類航天史上最重要、最複雜的太空計劃，將對人類的未來產生深遠影響。
美、俄、歐等航天大國很早就開始醞釀載人登陸火星的計劃，由於政治、技術、經費等原因，一直未能付諸實施。當前，載人航天技術，特別是重型運載火箭和新一代載人飛船的性能有了顯著提升，載人登陸火星不再是紙上談兵，甚至包括SpaceX在內的一些民營航天企業也將載人登陸火星作為長遠發展目標。作為深空探測的後起之秀，面對世界航天發展的新形勢，中國也正在積極規劃自主火星探測，以圖在人類探索太陽系的征程中做出與大國地位相適應的貢獻。
載人登陸火星的宏大目標已經成為全人類的共同夢想。然而，人類探索火星的道路將充滿挑戰，但這種挑戰和冒險精神，才是人類社會蓬勃發展的原生動力。基於對科學發展戰略的認識，我們不妨作一個大膽的預測，人類將在未來20年（2035年）左右首次登陸火星表面，航天員乘組很可能是多國合作的「聯合國際」航天員。實現載人登陸火星後，長遠將朝著建立火星前哨站、改造火星環境、火星移民的長遠目標逐步邁進。因此從某種程度而言，《火星救援》並非科幻，而是展現了二十年後的現實世界。
（出品：科普中國；製作：中國科學院國家天文台鄭永春 張碩 孔嘯 陳潔；監製：中國科學院計算機網路信息中心；「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。轉載請註明「來源：科普中國」。）
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