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二氧化硅材料可以提升火星宜居性

二氧化硅材料可以提升火星宜居性(科學播報) 0:00/0:00
最新發布時間: 2019-09-27
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  根據現有研究,除了地球之外,火星是太陽系中最適合居住的行星。但首先由于火星的表面太過于寒冷,導致水無法維持在液態,而液態水通常被認為是已知生命可以生存的先決條件;另外,由于火星的大氣太過于單薄,無法抵御紫外線,會對生命構成威脅。人類要想能夠在火星生存下來,還是一件非常困難的事。

  

  20世紀70年代由美國宇航局的維京任務從軌道上看到的火星。(圖片來源:NASA / JPL)

  卡爾·薩根在1971年的一篇論文中,就第一個提出了將火星變成地球,或者將火星變成一個適宜人類居住的地方的可行設想。他指出,在火星的北極,夏季殘余的霜凍厚度約為1公里,如果它們全部蒸發掉,那么釋放到大氣中的水蒸氣和二氧化碳就可能會產生溫室效應,將火星表面的溫度升高到液態水足以存在的程度。

  一些研究人員和未來學家受到薩根的啟發,他們開始認真思考星球改造的想法。其關鍵的問題是:火星上是否擁有足夠的溫室氣體和水,可以將火星的大氣壓強提高到與地球相當的水平?然而,2018年,一隊美國宇航局資助的科羅拉多大學,博爾德分校和北亞利桑那大學的研究人員在《自然天文》期刊上發表了一項研究,結果發現,即便將火星上所有可用的資源都進行處理,也只能將火星的大氣壓強提高到地球水平的7%左右,這遠遠低于適宜人類居住所需要的壓力。

  現在,來自哈佛大學、NASA噴氣推進實驗室和愛丁堡大學的研究人員有了一個新的思路:與其試圖一次性改變整個火星,是否有可能先對火星進行小范圍的改造。論文的第一作者羅賓 沃茲沃思表示,他們想要思考的是在十年的時間尺度上能實現的東西,而不是在未來幾個世紀才能實現,或者可能永遠無法實現的東西。火星是地球以外太陽系中最適宜居住的行星。一個用于創建可居住小島嶼的系統將使我們能夠以受控和可擴展的方式改造火星。與以前使火星適合居住的想法不同,這是可以用我們已經擁有的材料和技術系統地開發和測試的東西。

  研究人員認為,火星表面的某些區域可以通過利用一種名為二氧化硅氣凝膠的物質而變得宜居,這種物質可以模仿地球大氣中的溫室效應。通過建模和實驗,研究人員發現厚度為2~3厘米的二氧化硅氣凝膠就可以做到隔絕有害的紫外線輻射,讓足夠的可見光穿透使光合作用得以進行,以及在無需任何內部熱源的情況下,將二氧化硅氣凝膠之下的溫度永久地提高的水的熔點以上。

  這種想法實際上是受到了一種火星上的現象的啟發。火星上的冰蓋是由水冰和凍結的二氧化碳結合而成的,這與地球上由水冰構成的冰蓋是不一樣的。與氣態的二氧化碳一樣,凍結的二氧化碳在讓陽光穿透時也會將熱量困住。在夏天,這種固態的溫室效應會在冰層下導致小范圍的升溫。研究人員開始考慮這種固態的溫室效應,并思考如何能利用它來創造未來火星上的宜居環境,開始思考什么樣的材料可以將導熱系數降到最低,同時又能傳輸盡可能多的光。

  通過模擬火星表面的模型和實驗,研究人員證明,用一層薄薄的二氧化硅氣凝膠就可以使火星中緯度地區的平均溫度上升到等同于地球的水平。二氧化硅氣凝膠是已創造出的最絕緣的材料之一。二氧化硅氣凝膠具有97%的多孔性,意味著光穿過材料但是二氧化硅紅外輻射的互連納米層并且極大地減緩了熱傳導。二氧化硅氣凝膠是一種很有前途的材料,因為它的效果是被動的,它不需要大量的能源或維護運動部件,以保持區域長時間保持溫暖。

  他們表示,分布在一個足夠大的區域,不需要任何其他技術或物理,只需要在表面上有一層這樣的東西,就會有永久的液態水。這些氣凝膠目前用于多種工程應用,包括美國宇航局的火星探測流浪者。

  這種材料可以用來在火星上建造可居住圓頂,甚至有可能建造出自給自足的生物圈。由此或許會產生一系列非常有趣的工程學問題。接下來,研究小組的目標是在地球上,在類似火星氣候的條件下對這種材料進行測試,比如在南極洲或智利的干谷。這種區域性的將火星變得宜居的方法比全球性的大氣改造更易實現。與之前將火星改造得宜居的想法不同,這是一種可以用我們已有的材料和技術進行系統性地開發和測試的東西。

  

  一位工程師建議在一個小行星上建造一個屋頂,以使它保持和地球相似的環境。(圖片:Karl Tate, Infographics Artist)

  當然,研究人員也指出,任何與將火星改造得適合人類和地球生命居住有關的討論,都會衍生出重要的與行星保護相關的哲學和倫理問題。比如如果我們想要在火星表面生存,那么我們是否可以確定那里有沒有已經存在的生命?如果有,我們如何應對那些生命?一旦我們決定讓人類登上火星,這些就都將成為不可避免的問題。

  

原創稿件

制作:西南交通大學 曾子芹

審校:魏瀟 中山大學神經科學博士/中國科學院心理學研究所 博士后研究員

參考來源:

[1] Sagan C . The long winter model of Martian biology: A speculation[J]. Icarus, 1971, 15(3):511-514.

[2] R. Wordsworth, L. Kerber & C. Cockell. Enabling Martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect. Nature Astronomy, 2019 DOI: 10.1038/s41550-019-0813-0

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

  


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