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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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1989年7月，阿波罗11号登月20周年纪念日，美国总统乔治·H. W.布什站在位于华盛顿特区的国家航空航天博物馆的台阶上发表了讲话，为人类探索太空提出了一个全面计划，包括建造一个在轨空间站［后来被称作“自由号”（Freedom）空间站］，永久重返月球，以及在30年内实现载人火星任务。载人火星任务的目标是2019年，即人类踏上月球半个世纪后。该计划被称为太空探索计划（Space Exploration Initiative，SEI）。NASA欣然接受了这一想法，并委托进行了现已声名狼藉的“90天研究”（90-Day Study）。90天后，人们计算出这项计划将花费5000亿美元，相当于现在的1万亿美元以上。
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可悲的是，这与其说是太空政策，不如说是太空娱乐，一个几乎没有现实基础的美妙计划。SEI的部分问题在于，它依赖于当时尚未建成的“自由号”空间站，而这一ISS的最初方案很快就超出了预算，于是后来用“国际”代替了“自由”一词，为的是获得其他国家的资金资助。这一计划似乎囊括了每个人心仪的项目，包括为空间站添加燃料的燃料库，放到月球上的基地，以及在月球上建造的飞往火星的巨大飞船——只是为了让一部分乘组人员在火星上停留几天插上美国国旗。1989年，布什成立了国家太空委员会（National Space Council）来指导该项计划，委员会由他的副总统丹·奎尔（Dan Quayle）领导。这又是另一个重大错误。太空委员会的成员们与NASA的意见相左，认为NASA在为昂贵技术问题寻找创新解决方案方面缺乏主动性，而奎尔从不具备调解能力。NASA自己则错误地认为布什的宣言会转化为一笔意外的资金。白宫和NASA都没有与美国国会就该计划进行过讨论。当国会看到这个自“二战”以来最昂贵项目的花费时，惊呆了。
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巨额的价格标签，与许多美国人认为NASA不再有“恰当的东西”来完成如此伟大的事业的信念结合在了一起。航天飞机没有达到政客们的承诺。1986年“挑战者号”航天飞机发射时发生爆炸，包括一名教师在内的7名乘组人员全部遇难。而距布什发表太空探索计划演说不到1年，发射上天的价值数十亿美元的哈勃太空望远镜竟包含一个有缺陷的镜片——一个愚蠢的错误。这时也是后里根时代的美国：财政赤字不断上升，经济举步维艰，当时的政治与财政现实在3年内 就扼杀了太空探索计划。[12] NASA历史学家托尔·霍根（Thor Hogan）这样总结太空探索计划：“说到底，太空探索计划的消亡是决策失误的一个典型案例——缺乏足够的顶层政策指导，未能解决关键的财政约束，备用方案制定得不充分，没有得到国会的支持。”[13] 对于很多人来说，这听起来就跟某人在2019年呼吁人类在2024年登月一样。
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那个时代迈出的积极一步，是1992年太空探索计划失败后任命的NASA局长丹尼尔·戈尔丁（Dan Goldin）提出，NASA在对太阳系的探索过程中，要把通过机器人技术研究火星作为其主要目标。该目标不会受到总统愿景以及取消项目的影响。脾气暴躁的罗伯特·祖布林也在那个时代崭露头角。他发现了一种方法，可以利用现有技术，以太空探索计划价格的1/20到达火星。他的计划被称为“火星直击”，但是NASA最终以安全为由拒绝了该计划——不愿承担风险的NASA认为这一计划有太多的不确定性。1995年前后提出的这个计划与NASA今天的想法惊人相似，后者可能最终会把人类送上火星。
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祖布林设想通过精简计划和靠土地为生，为火星任务节省大量资金，这与NASA在太空探索计划中的做法大相径庭。NASA的太空探索计划要打包带上往返旅程所需的一切：燃料、空气和水。而这三种资源火星上都有。在“火星直击”计划中，我们首先发送一部返地航天器（Earth Return Vehicle，ERV）和一船氢气，大约6个月后到达。着陆后，一辆火星车将携带一台机器开出来，该机器可利用氢气（H2 ）将火星大气中的二氧化碳（CO2 ）转化为甲烷燃料（CH4 ）和水（H2 O）。[14] 然后水可以分解成氧和氢。经过一年的时间，两个反应产生的燃料和氧化剂足够推动ERV返回地球，同时还有额外的燃料来驱动地面车辆，以及额外的水供饮用，这些水分解成氢和氧可供“呼吸”。用来自地球的6吨氢气，我们可以在火星上制造出108吨的甲烷和氧气。[15] 这个化学过程相当简单。事实上，为了证明其可行性，祖布林用NASA提供的少量资金建造了一个制造甲烷的装置。困难之处在于让航天器安全着陆，并让它在寒冷、低重力、低气压的环境下工作。
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注意，地球和火星大约每26个月有一个距离最近的时刻。因此，大约在ERV发射两年后，我们再向火星发射两枚火箭，将另一部ERV和一个4人栖息地模块发射到火星。第二部ERV是为了启动另一个燃料循环和水的生成过程。因为不用携带大量燃料、空气和水前往火星，乘组人员可以轻松着陆；第一部ERV在那里可供他们返航，只需装上已经在火星制造好的燃料。第二部ERV用作应急返航飞船，以防第一艘飞船因某种原因受损。宇航员在火星上大约待1.5年后返航，此时火星与地球再次靠近。与此同时，又有4个人带着ERV和另一个栖息地模块抵达火星。这种循环不断重复，每两年就会有另一拨乘员、ERV和栖息地到达火星。当栖息地通过地下通道连接在一起的时候，火星村落就慢慢发展起来了。
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在“火星直击”计划中，每两年还可以带去新的设备，比如一个小型核反应堆和太阳能电池板。多年以后，宇航员将有足够的工具开始建造火星上的基础设施，包括生产塑料、玻璃和陶瓷的小工厂。
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“火星直击”计划的主要问题是，NASA不相信祖布林的数字，觉得他提出的燃料需求和质量需求太乐观。NASA调整了计划，采用一次发射三艘飞船的新方案，祖布林将其称为“半火星直击”（Mars Semi-Direct），并非完全蔑视。据计算，新方案10年的费用为550亿美元。这符合NASA的预算，同时允许它从事其他活动，如空间和地球科学。
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“火星直击”计划还有其他问题，比如要为ERV提供两年的防护，使其免受强烈的紫外线和持续的灰尘的损害。像这样的小事情都会增加任务成本。到最后，NASA也没批准“火星直击”或“半火星直击”计划。火星任务的某些倡导者怀疑，该机构是不是不希望外人告诉它该做什么或怎么做。罗伯特·祖布林和大卫·贝克（帮他一起开发该计划的同事）毕竟只是两个普通人，甚至不是NASA的一分子。NASA转而专注于建造ISS这项花费巨大的任务。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 第二个障碍是在旅行时保持健康
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好吧，让我们假装有钱，有火箭，有登上火星的意愿。胜利组合可能会来自某些政府，可能是中国及其合作伙伴，也可能是美国及其合作伙伴。这些合作伙伴可能是21世纪30年代的任何国家。然而，如果价格足够便宜，一些亿万富翁很可能会出钱去一趟。不管资金和动机如何，问题是：我们如何实现这一旅程？因为去火星比在火星生活更困难。
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正如第2章所指出的，火星之旅带来的健康风险非常大。我认为低重力是任务成功的最大风险，所以在此我要详细说明这个问题。
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到火星的旅行时间是6～9个月。如果这段时间是在微重力环境中度过的，骨骼和肌肉就会变得脆弱。在ISS待了6个月的宇航员，即使他们在轨道上每天进行两小时的锻炼，回到地球后还是无法正常工作。他们通常至少一天不能走路，一回来就会感到恶心。这还不算太糟，因为地球上会有一个专门团队把你抬出飞船，再把你抬到轮椅上。而火星上可不会有这样的欢迎团队。宇航员必须完全控制自己的身体……是立即。更重要的是，长期的微重力使他们的肌肉萎缩，骨密度以每月至少1%的速度下降，并且视力也受到损害。在太空中待满9个月后，在火星（不是在地球）着陆的唯一安慰是，火星的重力是0.38G，重力的影响可能没有那么极端。[16]
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