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《絕地救援》背後的科學

喜愛泛科學的朋友,我知道你們的委屈。你們不少人被視為異類,因為你們凡事追根究底,看到科技產品就流口水,電腦壞了不丟掉卻大卸八塊,看到網路上的胡扯文章就腦充血…種種怪胎的行為、罄竹難書,街坊鄰居對你敬而遠之。

不要沮喪,因為你出頭的時候到了,《絕地救援》就是為你拍的電影。

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電影的主角瓦特尼是個被丟包在火星上的科學宅,為了生存,他必須把周遭一切事物化腐朽為神奇,利用一切有限資源求生,製造食物、水、氧氣,還要面對層出不窮的意外,運用他跨領域的豐富知識,把物理化學生物的課本都用上了。所以這部電影可說是馬克思主義的具體實踐,喔錯了,是「馬蓋先主義」!

這就是近年科幻電影的趨勢——科學麻辣重口味:劇情內涵都要符合科學。去年的《星際效應》就是這樣「硬科幻」(Hard Sci-fi)的代表,《絕地救援》也是如此。咦,有人說《絕地救援》是《星際效應》的前傳~~沒有啦,它們只不過都是「硬科幻」故事、麥特戴蒙的角色都是被獨自遺棄在陌生星球的NASA太空人,都有綁架別的太空船,然後…再看看下面這個照片,兩部電影真的有像耶。(但真的、真的是完全不同類型的電影。)

《絕地救援》改編自美國新秀作家Andy Weir的科幻小說《火星任務》(英文都是”The Martian”)。這本書的出版過程本身就是個有趣的故事:Weir本來是個對太空有興趣的平凡軟體工程師,醞釀這個故事時才努力研究火星環境和軌道力學,一開始只是把故事一點一滴在自己的網站上連載,堅持讓讀者免費下載,想不到建立不錯的口碑,反而有人拜託他把小說以電子書的形式在亞馬遜上賣,以方便閱讀。他只好在亞馬遜以每章美金一元超低價自費出版,結果竟然熱賣,進了熱門排行榜,還引來大出版商買下出版權,甚至拍成電影。

電影故事發生在不久的將來,其中的火星之旅採用的科技多半已經存在,也盡可能準確地描寫火星上的情景。Weir這個鬼才不但得到NASA專業科學家的嘉許,連SpaceX的Elon Mask都找他當太空計畫的顧問。

太空版魯賓遜漂流記

故事大概是這樣的:NASA終於在未來啟動「戰神計畫」,送太空人登陸火星。瓦特尼(麥特戴蒙)是路易絲(潔西卡崔絲坦)帶領下的「戰神三號」6人登陸特遣隊成員之一,本來高高興興地登上火星,卻遭遇強烈暴風,特遣隊緊急登上火箭(火星接駁小艇,Mars Ascent Vehicle,或MAV)撤出火星,過程中瓦特尼被天線砸死,路易絲不得已撇下他,和其他5人回地球。想不到瓦特尼只是受傷暈倒,醒來時發現人去樓空,沒有火箭、沒有通訊器材,面對的是剩下的設施、30天的存糧、隊員倉促留下的迪斯可音樂、和一顆樂觀的心。怎麼辦?該怎麼活下去?怎麼回地球?

在瓦特尼手上連簡單地膠帶都會變成救命的工具。

登陸火星的戰神計畫

未來美國的NASA真是發了,竟然有錢建造龐大的登陸火星「戰神計畫」。在送太空人上火星之前,需要先以14艘無人貨運太空船把居住艙、火星車、糧食補給、甚至人員離開火星的火箭陸續送達登陸地點,萬事俱備後才用規模可比國際太空站的巨大太空船「戰神號」,送太空人上火星。它還配備了「離子火箭」:用電場將帶電的離子加速後噴出,雖然推力小(力量和人平常吹氣差不多),但節省燃料又持久,適合長途旅行。

「戰神號」旋轉環狀的太空艙產生離心力,藉此模擬地球的重力,傳送的太空人就不用漂浮在空中。它的角色相當於纜車,來往穿梭於地球與火星之間,到達目的地後再放出小型登陸艇送人上火星。

Weir設計的登陸火星「戰神計畫」參考過去類似的火星登陸藍圖(美國火星協會的Mars Direct,NASA的Design Reference Architecture),它們的太空船航行時幾乎不使用動力,完全依靠慣性和引力,所以速度慢,旅行時間長。現實世界中計畫的太空船只不過是一個比60年代登月小艇大一點的太空艙,任何隊員偷偷放個小屁都是強迫大家雞犬相聞。

Mars Direct強調經濟可行,所以太空船簡陋多了,由一根繩子連接太空人居住的太空艙和在火星上用的居住艙,像流星錘一樣相互旋轉,用離心力模擬重力。很好的辦法,不過比起電影裡的「戰神號」,寒酸多了。

火星風暴

故事的起因是火星上突然而來的風暴,風速高達每小時175公里,幾乎摧毀了讓隊員們離開火星的火箭,他們只好提前離開。地球上的風暴會帶來災難,傳說中連郵筒也低頭。在火星上的風也很有破壞力吧?!

別擔心,火星的大氣密度只有地球的1%,你看登陸火星的太空船都需要火箭或彈跳的皮球才能軟著陸,降落傘最多只能輔助,就是因為空氣稀薄,阻力太小。電影裡那場災難性風暴風速雖高,但是所造成的風力大概只相當於地球上的微風,根本不值得擔心。

這大概是整個故事中最不符合科學的地方,原作者Weir其實知道這個問題,但他總得要有一個殺不死主角卻又嚇人的災難,戲才能演得下去吧!

火星救援為什麼這麼難

到火星很困難嗎?不是經常發射衛星上太空嗎?

全世界去年發射了近200顆登記有案的衛星,為什麼電影裡面的火星救援行動這麼困難?不是隨便搭上一枚火箭就可以了嗎?

我們可以把每一顆星球的重力場當成漏斗型的「重力場」,在太空中飛行好像一個人在普遍這種「重力漏斗」的冰原上溜冰,從地表溜到大多數衛星所在的低軌道並不會花太多力量;若是要從地球的重力漏斗丟到月球,就要更用力克服坡度,耗費的能量就大多了,難怪至今最大的火箭仍然是阿波羅計畫登月用的農神五號;要到火星,不但要克服地球的重力,還要對付太陽巨大的重力漏斗,好像在漫長的山坡上溜冰,絕對不是普通的火箭就能辦到的。所以啦,電影裡急就章的救援行動還得靠中國現成的大型火箭。

可以把重力場看作「重力井」:每個星體的重力場就像一口井,若想要脫離地球,就要掙脫地球的引力,要離開得越遠就需要越多能量。一般的低軌道人造衛星其實離地球很近,不需要太多能量;但是如果想要到月球、火星、甚至更遠的地方,需要的能量就大得多得多了。(圖片來源:xkcd,Portland State Aerospace Society)

哪裡找水

電影主角為了有大量的水來種菜,只好把登陸艇裡留下的燃料「聯氨」(hydrazine,N2H4 )小心地燒掉,裡面的氫原子與周圍的氧氣結合,就會產生水:

N2H4 + O→ N+ 2H2O

聯氨是傳統的火箭燃料,是有毒的物質,燃燒的過程一個不小心還會爆炸。理論上說得通,但是這麼做真的能產生多少水?我有點懷疑,NASA說可行,不過我是不敢去試的啦。(聯氨市面買得到,勸你不要去試,看看主角的慘痛經驗!)

還好,火星其實有不少水。科學家剛剛發現火星部份地區的土表下埋藏不少鹽度極高的液態水,在「夏天」溫度高的時候就會流到山谷,可以淡化後取得淡水。如果當地沒有液態水,火星的土壤中大約有2%的含水量,在火星的寒冷南北極底下更有冰塊。如果有人以後不小心被困在火星上,千萬不要賣命燒燃料,把火星土壤加熱再收集水蒸氣就夠了。

NASA剛宣布火星表面上有液態水,某些地區每到夏天就會有深色的“水漬”往山谷流下。(圖片來源:NASA)

就地取材的火箭燃料

目前把一瓶礦泉水帶到國際太空站的價錢起碼台幣三十萬,火星的距離比太空站遠N倍,價格肯定貴多了。最划不來的就是燃料——火星的地底可沒有來自古代生物的石化燃料,MAV火箭的燃料若是都要從地球帶到火星,那得花多少錢!怎麼辦才好?

還好,火星的大氣充滿二氧化碳,20世紀初的諾貝爾化學獎得主薩巴捷(Paul Sabatier)已經提供一個辦法(叫Sabatier reaction):

  • CO2 + 4 H2 + energy → CH4 + 2 H2O
  • 2 H2 + 3 CO2→ CH4 + 2 O2 + 2 CO

攜帶地球上的氫氣,再加上能量,就可以把當地的二氧化碳變成可當燃料的甲烷 CH4 和可以助燃的氧氣,非常划算。戰神計畫裡帶太空人飛離火星的MAV火箭就有這種設備,這樣的生產過程要花時間,因此戰神計畫的火箭必須在兩年前先到達火星,才能確保太空人使用時有足夠的燃料。在真實的世界中,民間太空公司SpaceX計劃中往返地球與火星的火箭”Raptor”也打算使用就地取材製造的甲烷作燃料。其實火星有些地方的地底有冰,若把它加熱融成水,再電解成氫氣和氧氣,根本不用大老遠帶去。

SpaceX的太空船。(圖片來源:SpaceX)

火星上種菜

大家都知道,火星上是沒有植物的,看《絕地救援》的劇照就明白了。等一下~瓦特尼,不要發呆了,請你往左邊看一下好嗎,那裡有好幾棵樹你沒有看見嗎?就這樣和科學史上最大的發現錯身而過,真是不應該!

即使在地球也不是隨便一個地方就可以種菜,更何況是在另一個行星上。目前科學界認為火星的土壤真的可以種菜,不過要成功可不簡單,曾經有研究人員利用火星上探測器的數據,在地球上仿造火星的土壤,結果成功地讓植物發芽、生長,不過只活50天。這種火星土壤可以買得到,你可以試試看,練好了再去火星種馬鈴薯。

想要讓植物生長,陽光、空氣、水分、養分都不可少。陽光?強度不到地球的一半,紫外線相對強度高,所以用LED燈光比自然陽光還好。空氣?在密閉的室內就可以,不過要小心光合作用產生太多氧氣。養分?那通常是生物製造有機物質,火星上哪有!還好電影主角是位植物學家,知道他的大小便成了無價之寶。除了糞便中的養分,更重要的是裡面的微生物,可以做出植物所需要的養分和礦物質。不過嚴格來說,人肚子裡的微生物和土壤裡的還是差很多,如果有人想到火星種田,記得帶一把故鄉的泥土,裡面的微生物比黃金還值錢呢!

其它的太空船、火星車

瓦特尼為了與地球聯絡,特別不辭辛勞綁架1997年的古董「拓荒者號」(Pathfinder)。有點年紀的人大概還記得,拓荒者號是第一個採用「安全氣囊」彈跳降落的火星探測器,它還配備了微波爐大小的「旅居者號」(Sojourner)火星車,它的造型是未來所有火星車的藍本。

(左)當年NASA為「拓荒者號」所繪的想像圖;(右)電影場景。

電影中世界各國似乎有很多環繞火星的人造衛星,不斷從太空中監看瓦特尼的動態。現實世界中還在用的有五顆:美國的MAVEN(火星大氣與揮發物演化任務)、Mars Odyssey(火星奧德賽號)、MRO(火星偵察軌道器),歐洲的Mars Express(火星快車號),還有印度的MOM(火星軌道探測器)。

火星上五顆人造衛星的軌道,紅色的是兩顆天然衛星:火衛一和火衛二的軌道。(圖片來源:Wikipedia)

參考資料

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