能幫助人類實現移居火星的二氧化矽氣凝膠到底有多厲害?

1971年天文學傢卡爾薩根提出“行星工程學”概念,具體地說,就是融化火星極地水冰,從而創造出更溫和的環境。2018年,美國科學傢發現即使將火星上的所有可用資源進行處理,也隻能讓大氣壓達到地球的7%左右。現在,科學傢又提出一個新想法,利用二氧化矽氣凝膠模擬地球大氣的溫室效應,進而對火星表面的特定區域進行改造。

能幫助人類實現移居火星的二氧化矽氣凝膠到底有多厲害?
能幫助人類實現移居火星的二氧化矽氣凝膠到底有多厲害?

科學傢建議利用二氧化矽氣凝膠模擬地球大氣的溫室效應,對火星表面的特定區域進行改造“行星工程學”

長久以來,人類便夢想著改造火星氣候,讓它變成一顆適合人類居住的星球。天文學傢卡爾薩根是第一個認真提出對火星進行地球化改造的人。他在1971年的一篇論文中指出,蒸發火星北極冰蓋能夠產生海量氣體,通過溫室效應提高火星的全球溫度,進而提高讓水保持液態的可能性。薩根的論文促使其他科學傢和未來學傢認真對待火星地球化改造的相關想法。

關鍵的問題是,火星上是否存在足夠的溫室氣體和水,能夠讓大氣壓提高到與地球相當的水平?2018年,由美國宇航局資助的科羅拉多大學波爾得分校和北亞利桑那州大學的研究人員發現,即使竭盡火星上所有的可用資源,也隻能讓其大氣壓達到地球的7%左右。換句話說,通過這種方式將火星改造成宜居星球無異於癡人說夢。

二氧化矽氣凝膠

火星地球化改造過程
火星地球化改造過程

現在,哈佛大學、宇航局噴氣推進實驗室和愛丁堡大學的科學傢提出瞭一個新想法:我們沒有必要對整個火星進行地球化改造,可以嘗試局部地區性改造。研究人員建議利用二氧化矽氣凝膠模擬地球大氣的溫室效應,對火星表面的特定區域進行改造。

通過建模和相關實驗,研究人員發現一個兩到三厘米厚的二氧化矽氣凝膠層能夠傳輸足夠的可見光,用於光合作用,同時阻擋有害的紫外輻射,並讓氣凝膠層下方的溫度始終高於水的融點。所有這些過程均無需任何內部熱源的參與。研究論文刊登在《自然·天文學》雜志上。

火星地貌藝術概念圖
火星地貌藝術概念圖

哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的環境學與工程學兼地球與行星科學系助理教授羅賓·沃德斯沃斯表示:“局部改造要比改造全球大氣更容易實現。與此前提出的將火星變成宜居星球的想法不同,這種方式可以借助相關材料以及我們已經掌握的技術進行系統性研發和測試。”

美國宇航局噴氣推進實驗室的科學傢勞拉·科博爾指出:“火星是太陽系內除地球外最適於居住的行星。但對於很多生命來說,它仍舊是一個充滿敵意的世界。一個能創造出宜居小島的系統將允許我們用一種可控、可擴展的方式對火星進行改造。”

能幫助人類實現移居火星的二氧化矽氣凝膠到底有多厲害?

火星極地冰蓋由水冰和凍結的二氧化碳構成。與氣態二氧化碳一樣,固態二氧化碳也允許陽光穿過並捕獲熱量。夏季,這種固態溫室效應能夠在冰下形成“升溫袋”,也就是圖片中的黑點與地球的極地冰蓋(由凍結的水構成)不同,火星極地冰蓋由水冰和凍結的二氧化碳構成。與氣態二氧化碳一樣,固態二氧化碳也允許陽光通過並可以捕獲熱量。夏季,這種固態溫室效應能夠在冰下形成“升溫袋”。這種現象無疑啟發瞭科學傢們。

沃德斯沃斯表示:“我們開始關註這種固態溫室效應,並且在未來如何利用它來使火星變得適合人類居住。我們開始研究哪些材料能夠將導熱系數降至最低,同時仍能傳輸盡量多的光線。”最終,研究人員將目光鎖定在二氧化矽氣凝膠,它是科學傢研發的最隔熱的材料之一。

經過地球化改造的火星
經過地球化改造的火星

二氧化矽氣凝膠97%都是多孔疏松結構,這意味著光線能夠穿過這種材料,但相互連接的二氧化矽納米層可以反射輻射,同時大幅減緩熱傳導。這種氣凝膠在工程學領域有很多應用,比如美國宇航局的火星勘測漫遊者。科博爾表示:“由於這種效應是被動的,二氧化矽氣凝膠是一種具有探索前景的材料。它不需要大量的能量和對移動部件的養護,便可在長期內為一個區域保溫。”

利用相關模型和實驗模擬火星地表,研究人員證明一層薄薄的二氧化矽氣凝膠便可讓火星中緯度地區的平均溫度與地球相當。沃德斯沃斯說:“在一個面積足夠大的區域的地表和地下放置一層二氧化矽氣凝膠,無需任何其它技術或者物理學手段,你便可獲得永久性液態水。”

“好奇”號火星車,正對火星進行勘測
“好奇”號火星車,正對火星進行勘測

二氧化矽氣凝膠可用於在火星上建造棲息地,甚至於可以建造完全獨立的生物圈。沃德斯沃斯說:“使用這種材料會帶來一系列有趣的工程學問題。”接下來,研究小組將在地球上與火星氣候類似的地區測試這種材料,例如南極洲或者智利的幹旱山谷。

沃德斯沃斯指出有關火星地球化改造的任何討論都會引發重要的哲學問題以及與行星保護有關的倫理學問題。“如果我們想讓生命在火星上生存,我們首先要解答一個疑問,即火星上是否已經存在生命?如果存在生命,我們應如何應對?在我們決定讓人類定居火星的那一刻起,這些問題就不可避免。”

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