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。
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？
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。
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。
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。
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 + O2 → N2 + 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。
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。
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。
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）。
參考資料
- Jha, A. and correspondent, science. “Nasa’s Curiosity Rover Finds Water in Martian Soil” The Guardian (2013)
- Wamelink, G. W. W., Frissel, J. Y., Krijnen, W. H. J., Verwoert, M. R., and Goedhart, P. W. “Can Plants Grow on Mars and the Moon: A Growth Experiment on Mars and Moon Soil Simulants” PLoS ONE 9, no. 8 (2014):
- “Can You Grow Potatoes on Mars?” Physics Org
- “Is Martian Soil Actually Good for Farming?” Vox
- “NASA Mars Rover Fully Analyzes First Soil Samples”，NASA
- “科學知識和幽默，能讓人活過在火星被丟包的那些日子“，泛科學
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