这种神奇的材料,可以使火星变得更宜居
2019-07-26 17:00

这种神奇的材料,可以使火星变得更宜居

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文: Leah,头图来自视觉中国


除了地球之外,火星是太阳系中最适合居住的行星。但对许多物种来说,这仍然是一个充满敌意的世界。首先是因为火星的表面太过于寒冷,导致水无法维持在液态,而液态水通常被认为是已知生命可以生存的先决条件;另外,由于火星的大气太过于单薄,无法抵御紫外线,会对生命构成威胁。所以,人类一直梦想着能够通过改变火星的气候,将它变成一颗适合人类居住的星球。


卡尔·萨根(Carl Sagan)是第一个在科幻小说之外提出“星球改造”的科学家。在1971年的一篇论文中,萨根就提出了第一个将火星变成地球,或者将火星变成一个适宜人类居住的地方的可行设想。他指出,在火星的北极,夏季残余的霜冻厚度约为1公里,如果它们全部蒸发掉,那么释放到大气中的水蒸气和二氧化碳就可能会产生温室效应,将火星表面的温度升高到液态水足以存在的程度。


○ 上个世纪七十年代,NASA海盗号”眼中“的火星。| 图片来源:NASA/JPL


一些研究人员和未来学家受到萨根的启发,他们开始认真思考星球改造的想法。其关键的问题是:火星上是否拥有足够的温室气体和水,可以将火星的大气压强提高到与地球相当的水平?


2018年,一篇发表在《自然天文》期刊上的研究发现,即便将火星上所有可用的资源都进行处理,也只能将火星的大气压强提高到地球水平的7%左右——这远远低于适宜人类居住所需要的压力。


如此看来,将火星变成地球似乎是一个无法实现的梦。


现在,来自哈佛大学、NASA喷气推进实验室(JPL)和爱丁堡大学的研究人员有了一个新的思路:与其试图一次性改变整个火星,是否有可能先对火星进行小范围的改造。论文的第一作者Robin Wordsworth在接受space.com的采访时说到:“我们想要思考的是在十年的时间尺度上能实现的东西,而不是在未来几个世纪才能实现,或者可能永远无法实现的东西。”


研究人员认为,火星表面的某些区域可以通过利用一种名为二氧化硅气凝胶(silica aerogel)的物质而变得宜居,这种物质可以模仿地球大气中的温室效应。通过建模和实验,研究人员发现厚度为2~3厘米的二氧化硅气凝胶就可以做到隔绝有害的紫外线辐射,让足够的可见光穿透使光合作用得以进行,以及在无需任何内部热源的情况下,将二氧化硅气凝胶之下的温度永久地提高的水的熔点以上。


Wordsworth说:“这种区域性的将火星变得宜居的方法比全球性的大气改造更易实现。与之前将火星改造得宜居的想法不同,这是一种可以用我们已有的材料和技术进行系统性地开发和测试的东西。”


○ 火星上的极地冰盖是由冻结的水和二氧化碳结合而成的。冻结的二氧化碳也能在让阳光穿透的同时吸收热量。在夏日,这种固态的温室效应在冰层下会形成一块块温暖的区域,也就是图中所示的冰层中的黑点。| 图片来源:SEAS


这种想法实际上是受到了一种火星上的现象的启发。


火星上的冰盖是由水冰和冻结的二氧化碳结合而成的,这与地球上由水冰构成的冰盖是不一样的。与气态的二氧化碳一样,冻结的二氧化碳在让阳光穿透时也会将热量困住。在夏天,这种固态的温室效应会在冰层下导致小范围的升温。


Wordsworth说:“我们开始考虑这种固态的温室效应,并思考如何能利用它来创造未来火星上的宜居环境。我们开始思考什么样的材料可以将导热系数降到最低,同时又能传输尽可能多的光。”


研究人员最后将目光落在了二氧化硅气凝胶上,这是已创造出的最绝缘的材料之一。二氧化硅气凝胶的多孔性高达97%,这意味着光可以穿过这种材料,但二氧化硅相互连接的纳米层阻隔了红外辐射,大大减缓了热传导。如今,这类气凝胶已被用于多项工程应用中,其中就包括用在NASA的火星探测漫游者上。


通过模拟火星表面的模型和实验,研究人员证明,用一层薄薄的二氧化硅气凝胶就可以使火星中纬度地区的平均温度上升到等同于地球的水平。


Wordsworth说:“在一片足够大的区域里,你不需要任何其他的技术或物理,只需要在地表覆盖这样一层物质,在它的下面就可以拥有永久的液态水。”


这种材料可以用来在火星上建造可居住圆顶,甚至有可能建造出自给自足的生物圈。由此或许会产生一系列非常有趣的工程学问题。接下来,研究小组的目标是在地球上,在类似火星气候的条件下对这种材料进行测试,比如在南极洲或智利的干谷。


Wordsworth指出,任何与将火星改造得适合人类和地球生命居住有关的讨论,都会衍生出重要的与行星保护相关的哲学和伦理问题。


比如如果我们想要在火星表面生存,那么我们是否可以确定那里有没有已经存在的生命?如果有,我们如何应对那些生命?一旦我们决定让人类登上火星,这些就都将成为不可避免的问题。


参考来源:

https://www.seas.harvard.edu/news/2019/07/material-way-to-make-mars-habitable

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/001910357190131X

https://www.nature.com/articles/s41550-019-0813-0

https://www.space.com/make-mars-habitable-with-silica-aerogel.html


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文: Leah,头图来自视觉中国

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