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被「絕地救援」前,必看的火星求生教學手冊

「大家好,我是谷O莫,今天要跟大家說一個火星馬鈴薯自耕農的故事...」
ㄜ……雖然這段「致敬」有點過分,不過好想看到谷式風格的影評哪 =w=

(以下有雷,慎入!!)

原本以為電影公司很貼心的準備了電影中的馬鈴薯當看電影的零食,既解饞又應景。但咬了一下發現是生的.......

原本以為電影公司很貼心的準備了電影中的馬鈴薯當看電影的零食,既解饞又應景。但咬了一下發現是生的…….

筆者日前有幸能參與到「絕地救援」的試映會(炫耀無誤),大致上可說這是「浩劫重生」的宇宙荒島版,只是威爾斯排球先生換成了GoPro置入行銷攝影機,宇宙荒島火星上雖然沒有會自我進化的兄貴蟑螂,但吸個幾口濃濃的二氧化碳也會上天堂。

也別提什麼被丟包火星還被遠端舉辦葬禮,好不容易聯繫到地球但連即時通打個髒話都會被全球直播的悲催情節了。這部電影倒是很紮實地告訴我們,想在火星生存下來,除了要有跨國合作的逆天科技應援,更別忘了國高中時課本裡的知識也是救你一命的關鍵。我們姑且來整理一下電影中曾出現的救命元素,希望能對各位的火星旅行置產移民計畫有所裨益XD

在火星上佔地為王,你需要……

絕地救援劇照。

絕地救援劇照。

每分每秒都不可或缺的氧氣

  對我們來說,火星的大氣組成相當的不友善,高達96%是二氧化碳,而賴以為生的氧氣僅有0.145%[1]。很明顯在曲速引擎那種等級的星際旅行科技出現以前,我們不太可能運送大量的壓縮氧氣到火星上供人使用。所幸,被戲稱為平均智商最高的組織NASA(CERN表示嚴正抗議……)在2014年7月,發表了將在2020年的火星探測車上,採用了 M.H. Hecht在麻省理工的團隊所研發的「火星在地資源製氧實驗 (The Mars Oxygen ISRU Experiment(MOXIE)[2]

  MOXIE的目的,是希望利用火星當地的資源,就能達到穩定的氧氣產製。其原理,是利用固體氧化電解(solid oxide electrolysis, SOXE)的方式,在800-850°C的環境中,讓二氧化碳通過scandia-stabilized zirconia (ScSZ)而與電子結合,分解成氧離子與一氧化碳分子。而氧離子可再與電子結合而氧化成氧原子,並與鄰近的氧原子結合成氧氣[3]

MOXIE製造氧氣的電解裝置示意圖

MOXIE製造氧氣的電解裝置示意圖

水也很重要,缺個三天就有機會在火星上發現木乃伊囉(誤)

很不幸的,火星的地表也實在不太友善,大部分的環境如沙漠般也很缺水。然而,近幾年陸陸續續有直接與間接的證據發現火星上是有水的。例如2008年6月,鳳凰號火星探測器首次發現火星的土壤中含有水。2013年9月,好奇號發現火星土壤的含水重量約為1.5% ~ 3%[4],有可能開發成水資源運用。而就在「絕地救援」上映的前夕,2015年9月28日,NASA更證實了火星表面有流動的鹽水[5],這代表如果有合適的蒸餾設備,我們是可以直接從火星地表的鹽水和土壤蒸餾出飲用水的。

而除了在地取材的水資源以外,過去太空計畫也建立了很高效率的水資源回收系統。例如在國際太空站的淨水系統[6],它會收集、過濾並蒸餾空氣中的水分、汙水與尿液,高達93%的水都會被回收再利用,這樣高回收率若能與火星表面的水資源結合運用,對個人用水的需求就不需太擔心。不過若是需要在火星上開始搞個「微農業」,這用水量恐怕又遠大於個人生活用水了。但要怎麼「製造」更多的水呢?或許,馬克的主角威能讓他回憶起中學時期化學課本一個簡單不過的化學式:水分子H2O。

既然我們已經有了能憑空製造出氧氣的MOXIE,這代表如果我們能再找到氫原子或含氫的化合物,就有機會讓氫氧結合產生水。而馬克所想到的方式,則是把火箭燃料拿來燒。在幾種常見的火箭燃料中,像是俗稱的肥料火箭是利用白糖混合硝酸鹽;太空梭利用液態氫;或是NASA的X-15試驗機利用液態氨作為燃料[7]。這些燃料都含有氫元素,而燃燒後的水蒸氣,正是馬可取得耕種用水的重要來源。

裝置於國際太空站裡的 NASA水回收系統[8]。

裝置於國際太空站裡的 NASA水回收系統[8]。

去火星只能吃土啊,不然要吃啥

ㄜ……當然吃土的不是人啦,可以是一些植物或微生物嘛XD,接續著已經解決了水的問題後,如果要開始量產糧食,首先需要植物的種子、果實,當然具有發芽能力的馬鈴薯塊莖也覺得是個好選項。然而,馬鈴薯含水量高不易長期儲存,所以多數會做成加工食品後運輸,或是透過放射線照射來抑制發芽[9]、利用真空包裝來避免發霉。但幸好劇中太空人們想要在火星上實做料理而準備了生馬鈴薯,放射線抑制發芽的一年有效期也可能被長時間的太空旅行消磨掉而保留了發芽的機會。

其次,土壤的成分與土壤內養分的循環也相當重要。2012年好奇號在火星上的探勘發現火星表土成分跟夏威夷火山的土壤雷同[10]。然而土壤中扮演養分循環的微生物在火星上卻完全不存在,但仍可利用太空人們不斷累積的「堆肥」中取得。或是更樂觀點想,如果剛好有要在太空中進行一些農業栽培實驗,或是有太空人堅持要帶個盆栽旅行的話,也許就有機會取得這些必要的微生物了。

不過,這一切的種植都無法在火星上「露天」進行。火星的地表溫度為 -140°C ~ 30°C[11],但日夜溫差可高達60度。平均氣壓只有7.5百帕,遠小於地球的1013百帕[12],完全不利於任何生命存活,所以這都需要仰賴具氣密加壓效果的豪宅農舍才能讓作物得以耕種。而室內耕種所需要的光源,則可以利用2012年起,國際太空站上正在進行的植物栽種系統,利用特定波長的LED來讓植物進行光合作用[13]

21838278716_c193d942af_oNASA在國際太空站上的蔬菜種植實驗。[14]

你知道人類生存基本需求除了水、氧氣和食物以外,還要有電源和網路嗎? =w=

前面雖然提到了這麼多方法,當然這一切都不是完全取於天地的「自然農法」可以搞出來的,都仰賴相當大比例的高科技技術。不管是製氧機、淨水循環系統,甚至是在居住艙種植馬鈴薯的照明都仰賴著電力的供給。若要在火星上取得充足電力,目前只能依靠在地取材的太陽能發電,以及體積利於運送且能量密度極大的核能發電。

在火星上要依靠太陽能當然是絕對可行的,而且也會是最主要的電力來源,火星雖然離太陽比地球更遠一些,平均日照強度大約是地球的43%[15]。但火星的雲層較少且薄,多是個艷陽這樣的高照的好日子,非常適合太陽能的使用。然而,火星上落塵量龐大,會削減太陽能電池的效率,且沙塵暴滯留時間長也會使太陽能無法運作,例如2007年火星漫遊者號就因遭遇長達一個多月的沙塵暴而被迫停機休眠;2014年歐洲太空總署探測彗星的菲萊登陸器(Philae)也因登陸地點誤差無法照射到陽光,而進入長達7個月的休眠[16]。

為了避免太空任務中太陽能的不確定性,電影中提到的「放射性同位素熱電機(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG)」就成了一種穩定供電的輕巧選項。與核電廠所用的「核分裂」和夢想中的「核融合」原理完全不同,RTG是利用238Pu這樣的放射性元素,在衰變成234U的過程中,會有560W/kg 的大量衰變熱[17],這些衰變熱可經由熱電效應讓溫差轉換為電壓。在許多太空任務中,像是距離太陽較遠的土星探測器卡西尼-惠更斯號、飛出太陽系的航海家一號。或是在前文中提到需要在高溫環境下作業的MOXIE製氧機,都採用了這種發電方式。不過,要像馬克先生把它用做暖爐的話……這也算是超越設計極限的使用者想像吧XD

左側黑色平放的柱狀物,是裝設於新視野號上的放射性同位素熱電機。

左側黑色平放的柱狀物,是裝設於新視野號上的放射性同位素熱電機。

當然,要真的存活下去,你還需要很多很多東西…..需要知識,更需要知識實踐的能力;需要制定縝密計畫的聰明腦袋,更需要抗拒獨自一人的孤寂感;需要舉國之力的科技奧援,也需要探索未知之境的運氣。當然,更要忍受數百個每天只有不到半顆微波馬鈴薯果腹的飢餓日子。雖然對大多數人來說,我們終其一生也無緣涉足那遙遠的蠻荒之地。但多裝些科學知識在腦裡,或許就能助你度過天災人禍的急難困境。

解決問題的重要的技術突破,往往並不是按部就班直接得到的,而是藉由設定充滿挑戰的目標,激發出強大創新精神,燃起想像力和堅定的行動力,如催化劑般引起一系列的連鎖反應而達成。無可置疑地,太空計畫就扮演著這樣的角色。

Significant progress in the solutions of technical problems is frequently made not by a direct approach, but by first setting a goal of high challenge which offers a strong motivation for innovative work, which fires the imagination and spurs men to expend their best efforts, and which acts as a catalyst by including chains of other reactions. Spaceflight without any doubt is playing exactly this role.

1970 馬歇爾太空飛行中心科學副總監 Ernst Stuhlinger

參考資料:

  1. Mahaffy, Paul R., et al. “Abundance and Isotopic Composition of Gases in the Martian Atmosphere from the Curiosity Rover." Science 341 6143 (2013): 263-66.
  2. NASA. “Nasa Announces Mars 2020 Rover Payload to Explore the Red Planet as Never Before".  2014.
  3. Hecht, Michael H., Donald R. Rapp, and Jeffrey A. Hoffman. The Mars Oxygen Isru Experiment (Moxie) 2014.
  4. Leshin, LA, et al. “Volatile, Isotope, and Organic Analysis of Martian Fines with the Mars Curiosity Rover." Science 341 6153 (2013): 1238937.
  5. NASA. “Nasa Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars".  2015.
  6. NASA. “Nasa Advances Water Recycling for Space Travel and Earth Use".  2004.
  7. NASA. “Nasa Armstrong Fact Sheet: X-15 Hypersonic Research Program".  2014.
  8. NASA. “Water: A Chemical Solution". 2012.
  9. 原能會. “什麼是輻射照射食品?".
  10. 網路天文館. “火星土壤礦物似與夏威夷火山土壤雷同".  2012.  Pansci.
  11. NASA. “Mars Facts: Temperature".  2015.
  12. NASA. “Mars Facts: Temperature".  NASA Quest.
  13. NASA. “Veggie Plant Growth System Activated on International Space Station".  2014.
  14. NASA’s Marshall Space Flight Center. “11 stmd_shareable_lettuce3″. flickr.
  15. “Solar Intensity".  Mcauliffe-Shepard Discovery Center.
  16. NASA. “Mars Exploration Rover Status Report Concern Increasing About Opportunity".  2007.
  17. Council for Nuclear Fuel Cycle, Institute for Energy Economics Japan. Can Reactor Grade Plutonium Produce Nuclear Fission Weapons?, 2001.

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關於作者

廖英凱

非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。