哈佛大学反思阿波罗11号和尼尔·阿姆斯特朗的月球漫步哈佛大学反思阿波罗11号和尼尔·阿姆斯特朗的月球漫步

长久以来,人们一直梦想改变火星的气候,使其适合人类居住。卡尔·萨根是第一个在科幻小说领域之外提出改造地球的人。在1971年的一篇论文中,萨根提出,北极冰盖的蒸发将导致“地球上的大气层产生约103g cm-2,温室效应导致全球气温升高,液态水的可能性大大增加。”

萨根的工作启发了其他研究人员和未来学家认真对待地球改造的想法。关键的问题是:火星上是否有足够的温室气体和水来将其大气压力提高到类似地球的水平?

2018年,美国宇航局资助的科罗拉多大学、博尔德大学和北亚利桑那大学的两名研究人员发现,处理火星上所有可用的资源只会将大气压力增加到地球的7%左右——远远低于使火星适宜居住所需要的压力。

把火星变成地球似乎是一个无法实现的梦想。

现在,来自哈佛大学、美国宇航局喷气推进实验室和爱丁堡大学的研究人员有了一个新想法。与其试图改变整个地球,不如采取更有针对性的方法呢?

研究人员认为,火星表面的某些区域可以用一种类似地球大气温室效应的物质——二氧化硅气凝胶——来居住。通过建模和实验中,研究人员表明,2 – 3-centimeter-thick盾的二氧化硅气凝胶可以传递足够的可见光进行光合作用,阻止有害的紫外线辐射,并提高温度下永久水的熔点以上,不需要任何内部热源。

这篇论文发表在《自然天文学》上。

哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和地球与行星科学系环境科学与工程助理教授罗宾·华兹华斯(Robin Wordsworth)说:“这种使火星适宜居住的区域性方法比全球大气改造更容易实现。”“与之前让火星适宜居住的想法不同,这是一种可以用我们已有的材料和技术进行系统开发和测试的东西。”

“除了地球,火星是太阳系中最适合居住的行星,”NASA喷气推进实验室的研究科学家劳拉·克伯(Laura Kerber)说。“但对许多物种来说,这仍然是一个充满敌意的世界。一个创造适合居住小岛的系统将允许我们以可控和可扩展的方式改造火星。”

研究人员受到火星上已经发生的一种现象的启发。

不像地球的极地冰帽是由冰冻的水构成的,火星上的冰帽是水冰和冰冻二氧化碳的结合体。就像它的气态形式一样,冻结的二氧化碳在吸收热量的同时允许阳光穿透。在夏天,这种固态的温室效应会在冰层下产生小块的升温。

华兹华斯说:“我们开始考虑固态温室效应,以及如何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。”

研究人员降落在二氧化硅气凝胶上,这是有史以来最绝缘的材料之一。

二氧化硅气凝胶有97%的多孔性,这意味着光可以穿过材料,但二氧化硅的纳米层相互连接,阻挡了红外辐射,大大减缓了热传导。如今,这些气凝胶已被用于多种工程应用,包括美国宇航局的火星探测漫游者。

“二氧化硅气凝胶是一种很有前途的材料,因为它的作用是被动的,”克伯说。“在很长一段时间内,保持一个区域的温暖并不需要大量的能量或移动部件的维护。”

通过模拟火星表面的模型和实验,研究人员证明,薄薄的一层二氧化硅气凝胶将使火星中纬度地区的平均温度上升到与地球相同的水平。

华兹华斯说:“在一个足够大的区域里,你不需要任何其他的技术或物理,你只需要在表面和下面覆盖一层这样的物质,你就会有永久的液态水。”

这种材料可以用来在火星上建造居住圆顶甚至自给自足的生物圈。

华兹华斯说:“由此产生了一系列令人着迷的工程学问题。

接下来,研究小组的目标是在地球上类似火星的气候条件下测试这种材料,比如南极洲或智利的干谷。

华兹华斯指出,任何有关让火星适合人类和地球生命居住的讨论,都提出了有关行星保护的重要哲学和伦理问题。

“如果你要在火星表面创造生命,你确定那里已经没有生命了吗?”如果有,我们如何导航?”华兹华斯问道。“一旦我们决定让人类登上火星,这些问题就不可避免。”

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