能帮助人类实现移居火星的二氧化硅气凝胶到底有多厉害?

1971年天文学家卡尔萨根提出“行星工程学”概念,具体地说,就是融化火星极地水冰,从而创造出更温和的环境。2018年,美国科学家发现即使将火星上的所有可用资源进行处理,也只能让大气压达到地球的7%左右。现在,科学家又提出一个新想法,利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应,进而对火星表面的特定区域进行改造。

能帮助人类实现移居火星的二氧化硅气凝胶到底有多厉害?
能帮助人类实现移居火星的二氧化硅气凝胶到底有多厉害?

科学家建议利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应,对火星表面的特定区域进行改造“行星工程学”

长久以来,人类便梦想着改造火星气候,让它变成一颗适合人类居住的星球。天文学家卡尔萨根是第一个认真提出对火星进行地球化改造的人。他在1971年的一篇论文中指出,蒸发火星北极冰盖能够产生海量气体,通过温室效应提高火星的全球温度,进而提高让水保持液态的可能性。萨根的论文促使其他科学家和未来学家认真对待火星地球化改造的相关想法。

关键的问题是,火星上是否存在足够的温室气体和水,能够让大气压提高到与地球相当的水平?2018年,由美国宇航局资助的科罗拉多大学波尔得分校和北亚利桑那州大学的研究人员发现,即使竭尽火星上所有的可用资源,也只能让其大气压达到地球的7%左右。换句话说,通过这种方式将火星改造成宜居星球无异于痴人说梦。

二氧化硅气凝胶

火星地球化改造过程
火星地球化改造过程

现在,哈佛大学、宇航局喷气推进实验室和爱丁堡大学的科学家提出了一个新想法:我们没有必要对整个火星进行地球化改造,可以尝试局部地区性改造。研究人员建议利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应,对火星表面的特定区域进行改造。

通过建模和相关实验,研究人员发现一个两到三厘米厚的二氧化硅气凝胶层能够传输足够的可见光,用于光合作用,同时阻挡有害的紫外辐射,并让气凝胶层下方的温度始终高于水的融点。所有这些过程均无需任何内部热源的参与。研究论文刊登在《自然·天文学》杂志上。

火星地貌艺术概念图
火星地貌艺术概念图

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的环境学与工程学兼地球与行星科学系助理教授罗宾·沃德斯沃斯表示:“局部改造要比改造全球大气更容易实现。与此前提出的将火星变成宜居星球的想法不同,这种方式可以借助相关材料以及我们已经掌握的技术进行系统性研发和测试。”

美国宇航局喷气推进实验室的科学家劳拉·科博尔指出:“火星是太阳系内除地球外最适于居住的行星。但对于很多生命来说,它仍旧是一个充满敌意的世界。一个能创造出宜居小岛的系统将允许我们用一种可控、可扩展的方式对火星进行改造。”

能帮助人类实现移居火星的二氧化硅气凝胶到底有多厉害?

火星极地冰盖由水冰和冻结的二氧化碳构成。与气态二氧化碳一样,固态二氧化碳也允许阳光穿过并捕获热量。夏季,这种固态温室效应能够在冰下形成“升温袋”,也就是图片中的黑点与地球的极地冰盖(由冻结的水构成)不同,火星极地冰盖由水冰和冻结的二氧化碳构成。与气态二氧化碳一样,固态二氧化碳也允许阳光通过并可以捕获热量。夏季,这种固态温室效应能够在冰下形成“升温袋”。这种现象无疑启发了科学家们。

沃德斯沃斯表示:“我们开始关注这种固态温室效应,并且在未来如何利用它来使火星变得适合人类居住。我们开始研究哪些材料能够将导热系数降至最低,同时仍能传输尽量多的光线。”最终,研究人员将目光锁定在二氧化硅气凝胶,它是科学家研发的最隔热的材料之一。

经过地球化改造的火星
经过地球化改造的火星

 

二氧化硅气凝胶97%都是多孔疏松结构,这意味着光线能够穿过这种材料,但相互连接的二氧化硅纳米层可以反射辐射,同时大幅减缓热传导。这种气凝胶在工程学领域有很多应用,比如美国宇航局的火星勘测漫游者。科博尔表示:“由于这种效应是被动的,二氧化硅气凝胶是一种具有探索前景的材料。它不需要大量的能量和对移动部件的养护,便可在长期内为一个区域保温。”

利用相关模型和实验模拟火星地表,研究人员证明一层薄薄的二氧化硅气凝胶便可让火星中纬度地区的平均温度与地球相当。沃德斯沃斯说:“在一个面积足够大的区域的地表和地下放置一层二氧化硅气凝胶,无需任何其它技术或者物理学手段,你便可获得永久性液态水。”

“好奇”号火星车,正对火星进行勘测
“好奇”号火星车,正对火星进行勘测

 

二氧化硅气凝胶可用于在火星上建造栖息地,甚至于可以建造完全独立的生物圈。沃德斯沃斯说:“使用这种材料会带来一系列有趣的工程学问题。”接下来,研究小组将在地球上与火星气候类似的地区测试这种材料,例如南极洲或者智利的干旱山谷。

沃德斯沃斯指出有关火星地球化改造的任何讨论都会引发重要的哲学问题以及与行星保护有关的伦理学问题。“如果我们想让生命在火星上生存,我们首先要解答一个疑问,即火星上是否已经存在生命?如果存在生命,我们应如何应对?在我们决定让人类定居火星的那一刻起,这些问题就不可避免。”

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