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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 航行从地球开始
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火星的地貌与南极相似：寒冷、单调、遥远，却拥有令人着迷的美丽。之所以没有大量的人口生活在南极，是因为那里的生活充满挑战，尤其是在没有阳光的冬天。由于缺乏一种被称为空气的生命维持物质，生活在火星……大量的人生活在火星，会更加困难。这是用来呼吸的空气，是形成足够的气压防止我们的血细胞爆裂的空气，也是阻挡来自太阳和其他地方的有害辐射的空气。与完全没有空气的月球相比，火星上的空气要多得多。尽管如此，火星上的空气仍然太稀薄，而且几乎全部由二氧化碳组成，大约只有1%～2%的氮气、氩气，以及一点点氧气。我们无法呼吸，无法生存。只要那里不那么冷，某些地球生物也许可以。
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地球的大气中大约有78%是氮气，20%是氧气，1%是氩气，还有少量的二氧化碳和其他气体。海平面高度的气压大约是10万帕斯卡，称为1个大气压。在火星上，气压是600帕斯卡，大约是地球气压的0.6%。在火星上生活的主要困难有：没有可呼吸的空气，没有足够厚的大气层保护你免受太阳和宇宙射线的影响，或者避免你体内的液体和气体膨胀。在火星上定居后，要考虑的事情几乎都是如何克服大气的问题。当然，我们只能希望没有重力的问题，希望0.38G足以让胎儿发育，让孩子健康成长。除非在ISS上进行一次模拟火星重力的实验，否则我们无法知道在0.38G的情况下我们会过得怎样。但NASA或多或少已经禁止了这一实验，直到我们到达火星并尝试后才能找到答案。
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顺便说一下，这就是定居火星和定居月球的区别。月球既存在大气问题，也存在重力问题。火星可能只有大气问题。
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先在月球生活能否教会我们如何在火星生活？绝对可以。两个天体上的基本庇护所都是一样的：一个地下栖息地或其他能很好地屏蔽辐射的地方，有足够的压力、空气、食物和水。关键的不同之处在于居住在这些地方的长期战略。未来几个世纪，月球上的生命将依赖于地球，部分因为月球离地球很近，部分因为在月球29天昼夜循环周期中极端严酷的温度。最初的技能包括应对低重力和资源开发，比如冰。冰完全混合在月球的土壤里而且浓度很低。然而，火星将被视为一个前沿阵地，最终并且会很快需要高度的自给自足，才能成为经济上可行的人类目的地，一部分原因是火星与地球的距离，另一部分原因则是其相对可控的温度和昼夜周期。在火星上，需要的技术包括将二氧化碳转化为甲烷和氧气来制造火箭燃料，以及在自然光下建造巨大的温室来种植食物。
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我们可以先去月球，学习如何在太空庇护所中生活。我们还要在那里获得运输、供应、储存和外出穿着方面的知识。这绝不是在浪费时间，并不是“要么火星要么烂渣”（Mars or Bust）阵营里的人所认为的那样。我们在太空中所做的每件事，都在太空生活方面教会了我们某些东西，尽管付出了代价。月球表面的栖息地将是“真实的东西”，有真实的危险和真实的生活环境，需要实时补救，而来自地球的帮助或疏散到地球则需要3天时间。因此月球栖息地为火星任务（单程要花6～9个月时间）提供的经验，在潜艇或地球模拟栖息地上是无法相比的。也就是说，基于地球的模拟栖息地相对便宜，它们是通往月球和火星的起步阶段。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 沙漠隐居
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我在第1章讨论了人类探索研究模拟项目（HERA）和夏威夷太空探索模拟与仿真项目（HI-SEAS）。这些模拟项目最大的局限性（即使不是最明显的）是，它们不是真正的太空冒险。NASA很可能只是在研究监狱犯人的心理压力。在一次真正的火星之旅中，你要去的是火星。这是一个相当大的心理负担，远超出在狭小空间里生活一两年所带来的任何微小不便。不过，我个人认为这种心理风险被夸大了。在首次火星任务中，人会产生巨大的使命感。在随后普通人的迁移中，技术将会进步，宇宙飞船会更加舒适，行程也会更短。
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在地球上进行的其他火星模拟项目，主要是模拟火星上的生活、工作和移动，为未来的火星任务提供好的方法。闪线火星北极研究站（Flashline Mars Arctic Research Station，FMARS）和火星沙漠研究站（Mars Desert Research Station，MDRS）是火星学会（Mars Society）运营的两个地表探索基地。火星学会是由祖布林等人于1998年成立的非营利性太空倡导组织。这些设施看起来跟你对火星首个基地的想象一样：简单的圆柱形结构，有一个气闸，一些天线，外面停着一辆车。闪线火星北极研究站位于加拿大努纳武特地区巴芬湾的 德文岛，是一个极地沙漠生态系统，在很多方面与火星极地地区相似。火星沙漠研究站位于美国犹他州南部的沙漠环境中，在设计上类似于闪线火星北极研究站，但有一个温室和一个天文台。有了这两处设施和有限的预算，火星学会通过种植食物，以及测量和挖掘附近的土地来实现祖布林在《赶往火星》中提出的概念。本章稍后将就此进行讨论。之所以选择这些地点，是因为它们与火星的地质情况相似。参与者都是志愿者，其中很多是大学生。当火星沙漠研究站的温室两次被摧毁时（先是被风，然后火），他们尝到了“真正”问题的滋味。
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NASA有自己的沙漠藏身之处。位于美国亚利桑那州的NASA沙漠研究和技术研究项目（Desert Research and Technology Studies，Desert RATS）针对在月球或火星表面的生活进行了一系列年度野外技术测试，主要测试生存和移动技术，这是对20世纪60年代阿波罗任务测试的恢复。NASA与大学合作，测试航天器、宇航服、工具，等等。其中包括全地形六足外星球探测器（All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer），看起来像是从《星球大战》的虚构世界里出来的东西。这是一种六足蜘蛛形航天器，能够（希望如此）在月球或火星的任何地形中导航。NASA还测试了另一款机器人设备。它可以把一块地弄平，然后将其烧结成着陆点和发射台。
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NASA资助的霍顿火星计划（Haughton Mars Project，HMP）位于德文岛，与闪线火星北极研究站类似，只是更大一些。霍顿火星计划坐落于霍顿陨石坑内，那里的地形类似火星，干燥、无植被、岩石松散。因此，霍顿火星计划可以很好地模拟测试那些将在火星上使用的机器人采矿技术。与闪线火星北极研究站一样，由于地处偏远且缺乏基础设施，还可以对能源存储、通信和远程医疗技术进行测试。霍顿火星计划是NASA工程师帕斯卡尔·李（Pascal Lee）的创意。他是火星学会和国际火星研究所（International Mars Institute）的创始人之一。在Desert RATS和霍顿火星计划之间，NASA及其合作伙伴正在测试一些基本必需品。这些必需品看起来就像是火星科幻小说和电影里的东西：加压火星车、机器人挖掘机和灵活的加压服。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 靠土地为生
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其他重大项目还包括原位资源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU），主要开发一些可以帮助“行星拓荒者”以土地为生的小工具。月球和火星上的临时和永久定居点能否成功，将取决于ISRU的能力如何，因为火箭方程的物理本质不允许我们携带奢侈的以及沉重的物质，如空气和水。是的，空气很重。我们每天要呼吸550升氧气，大约1千克重。如果要携带足够的氧气供4名宇航员前往火星执行为期两年的任务，旅程辎重将增加3吨（6600磅，3000万美元）。
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土壤、环境科学、氧气及月球挥发性物质萃取系统（The Regolith and Environment Science and Oxygen and Lunar Volatile Extraction，RESOLVE）由NASA和加拿大航天局联合开发。这是一个集漫游车、钻井平台、烤箱、实验室于一体的装置，旨在生产水和氧气。该移动装置可以提取直径1米的岩芯，并将之粉碎，然后将这些富含氧气的岩石加热到900℃，释放氧气，再将氧气与氢混合，大约1小时就能产生水。[7] 从岩石中取水，就像摩西一样法力无边。这个装置是为月球设计的，但也可以在火星上用来寻找其他重要的挥发性物质，如氨、一氧化碳、氦和氢。与此相关的是，先驱者月球原位制氧试验台（Precursor In-situ Lunar Oxygen Testbed，PILOT）可以把锁在土壤矿物质中的氧提取出来，这在火星上可能也有用处。[8] 不过，火星土壤的含水量比月球更丰富，而且从水中提取氧气的能量消耗也更低。
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火星的空气中有氧，但被锁定在二氧化碳中。火星原位氧资源利用实验装置（Mars Oxygen In-Situ Resources Utilization Experiment，MOXIE）可以吸入二氧化碳，将其加热到800℃左右，然后通过一种叫作固体氧化物电解池的催化剂，产生可以呼吸的氧气，化学方程式是2CO2 →2CO+O2 。有毒的一氧化碳副产品可以用作燃料或进一步转化为甲烷（CH4 ）。MOXIE已通过实验室的全面测试，计划用于NASA的2020年火星车任务。[9]
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如果成功，NASA准备将其规模扩大到原来的100倍。MOXIE的样机每小时可以产生10克氧气，而只需要300瓦电量，这部分能量可以由太阳能来提供。为火星宇航员提供的全尺寸版本则可能需要一台放射性同位素温差发电机（radioisotope thermoelectric generator，RTG）。它可以将放射性衰变的热量转化为电能。火星以外的大多数航天器上的电子设备，都需要以此为能量来源，因为那里的太阳能实在是太弱了。
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不仅呼吸需要氧气，燃烧也需要氧气。氢、甲烷和所有碳基燃料没有氧气作为氧化剂，是无法燃烧的。因此，尽管温室很好，能够为植物和动物创造一个完美的二氧化碳与氧气的比例，但是我们仍然需要更多的氧气来满足燃烧的需求。可以大量装配MOXIE，以储存大量的氧气。[10] 你还可以看到化学循环的美妙之处。火星拥有我们文明所需的一切，只不过不是我们想要的那种形式而已。但是只要有能量输入，氢、碳和氧的分子都是可以转换的。如果在火星上使用，任何东西都不会浪费。从水中释放出来的氢作为燃料与氧一起燃烧后又回到水中。二氧化碳转化为氧气和一氧化碳，而一氧化碳与氧气燃烧时又转化回二氧化碳（CH4 +2O2 →CO2 +2H2 O）。物质不能被创造或消灭。我们唯一会失去资源的时候就是无法对它们进行收集的时候，比如火箭发射时。
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请注意，中国已经开始了自己的原位资源利用项目和沙漠实地研究。中国正在柴达木盆地建造一个数百万英亩的火星世界。柴达木盆地位处青藏高原干旱地区，贫瘠的地貌与火星上的地理条件相似。该建筑群将主要用于科学研究，但也会包括一处以火星为主题的旅游景点，有探险营地和模拟火星体验。[11] 在世界范围内还有其他多个不错的项目——欧洲、日本以及太空游戏的新玩家迪拜——这些项目的首字母缩写都很巧妙，而且都在测试中取得了相当大的进展。看来我们已经准备好去火星了。嗯，基本上准备就绪。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 第一个障碍是离开地球
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