冠华居

爸爸,我们去火星吧

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出品:科普中国

制作:北京航空航天大学月宫一号科研团队

监制:中国科学院计算机网络信息中心

 

“你想饱览美妙的太空奇观吗?你想感受太空冒险的刺激吗?考生分数当钱花!”中国星际旅游公司的广告不厌其烦地播放着。贝贝和航航是北航附中初三(6)班的同学,每天在上学的班车上,这则广告都吸引着他们眨着好奇的大眼睛看得入神。他俩商量着“中考结束让爸爸带我们去火星吧”。

终于等到了激动人心的时刻,贝贝和航航在爱国和敬业两位爸爸的陪同下踏上了期盼已久的火星之旅。时间是2058年夏。

第一站——中国国际空间站

伴随着一声“发射!”,神舟飞船飞上了碧蓝的天空。

在神州飞船里,贝贝和航航透过飞船的舷窗,遥望地球,太平洋就像一个小小的池塘,喜马拉雅山就像花园里的假山,长江就像一条长长的小溪流。“啊!那条长长的带子是什么?”贝贝和航航惊呼,两位爸爸答道:“那是我们的万里长城啊!”说话间,飞船来到了他们太空之旅的第一站——“中国国际空间站”。

安全带打开,贝贝和航航都飘起来啦!“这就是微重力下的感觉啊!”舱门打开,他们一行四人从神州飞船“飞”进了空间站,看到了来自中国、俄罗斯、以色列等各国的航天员,贝贝和航航兴奋极了。“凌空飞翔的感觉真好!”贝贝边自言自语,边调皮地做着升降、转身、变向等各种动作,像燕子一样。

航航他们被安排在空间站的太空旅馆中,每位游客可以选择垂直或水平的床(其实就是个睡袋),垂直或水平也只是相对于空间站的地板而言的,其实睡进去的感觉都一样。洗澡间是封闭式的,而且只能进行喷雾加海绵擦洗浴,不能像地球上那样流水冲洗,洗身子和洗头要分开进行,防止水呛入呼吸道,同时也为了防止水飞到其它地方。航航他们四人在空间站的机器人导游的指导下完成各种生活操作。晚餐享用的是从地球运来的美食。突然,贝贝一不小心洒了橙汁,橙汁在空中飞舞着。机器人导游说:“在微重力下喝水只能从袋子里直接吸,不能像地球上那样倒进杯子里哦。”

果汁喝多了,贝贝要上厕所。从厕所出来,贝贝兴奋地说:“卫生间运用流动的空气冲走粪便,废水被回收利用,空气则在过滤除臭和除菌后再返回输舱内。”

航航问:“我们喝的水和呼吸的空气都是哪里来的呢?”

机器人导游说:“我们这里有物理化学再生式的生命保障系统,从这个图上(图1)可以了解它的基本流程。运用物理化学的方法如‘电解制氧技术’对从尿液中回收的水电解制得氧气,而氢气则用于还原我们呼出的CO2,产生的水和空气冷凝水一起净化后用于饮用。这样我们可以循环再生90%的氧气和水。而另外10%氧气和水,以及几乎全部的食物,只能由地球补给。我们在空间站能够自己栽培一些蔬菜,但是数量很有限。在空间站栽培的新鲜蔬菜,不仅能够补充人体所需的重要营养,同时还能调节乘员的心理状态,另外,这对去除空气中的二氧化碳、生成氧气和净化水质也有贡献。你们看这些柱状的设备,是我们的蔬菜培养机器(图2),它内部为喇叭形的结构,我们每天在小口处种上一批蔬菜的种子,在大口处收获一批蔬菜,满足我们对新鲜叶菜的需求。这样的结构让我们能节约能源和劳动。”贝贝和航航感叹:“真是太奇妙了!”

图1 空间站物理化学再生生命保障系统流程图

图2 中国国际空间站上的蔬菜培养机

 

第二站——月球

第二天一大早,贝贝他们告别了中国国际空间站,向下一站——月球基地进发。

到达月球轨道后,飞船首先环绕月球轨道一圈,一方面近距离欣赏月球的景色,一方面让飞船调整好姿态,做好降落准备。当月球着陆器从月球轨道下降,在月面上安全着陆后,航航一行四人坐进了月球基地的月球车,车上的机器人导游玉兔说话了:“欢迎来到月球基地,你们将入驻月宫旅馆。月宫旅馆由八幢建筑组成,分别取名月宫一号到八号,现在是旅游旺季,游客很多,月宫一号到七号都已经住满了,还好我们新建成了月宫八号,你们可以入住。”看到眼睛瞪得老大的贝贝,玉兔接着说:“月球表面的环境,与地球表面的自然环境大不相同。月球上没有大气,处于高度真空的状态,连声音都无法传播。因为月球上没有大气层,月面直接暴露在宇宙空间,因而月表的温度变化非常剧烈。白天最热时,月表温度可达127℃;夜间最冷时,温度则可降到-183℃。因此我们只能生活在月球基地的密闭舱系统中,出舱要么穿出舱服,要么乘坐密闭的月球车。”

图3 月球基地外观

图4 月宫八号的内部

走进月宫八号,一片生机盎然的景象映入眼帘。绿色植物在光合作用下,为游客提供食物和氧气,又将二氧化碳和其它废物“变废为宝”。植物还是净化水的功臣,根系和叶片在系统的水循环过程中十分重要。微生物则担负着下游的收尾工作,降解植物不可食用的生物量、乘员排泄物和净化生活废水等,重新用于为植物提供水分和养料,为动物提供饲料,使食物得以再生循环。玉兔解释说:“我们月宫旅馆主要采用的是生物再生式的生命保障系统,从这个图上(图5)可以看出该系统的原理,它是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合,构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统。氧气、水和食物这些人类生活所必需的物质可在系统内循环再生,并为乘员提供类似于地球生物圈的生态环境。我们可以再生100%的氧气和水,80%的食物,只需地面补给一些佐料和动物性食物。”

图5 生物再生生命保障系统原理

敬业爸爸补充说:“我记得2014年5月北航完成了我国首次长期高闭合度集成实验,月宫一号的地面原理样机现在还在北航的学院路校区的校园内呢!”贝贝和航航惊呼:“我航威武啊!”

到达月球的当天,大家的活动主要是穿上月球出舱服,体验月面上行走的感觉。月球上面有许多大大小小的“坑”,像月球的酒窝一样,那是陨石坑。别看月宫内生机盎然,月宫外却是一个无生命的世界,没有其它生物,孩子们感到有些孤独。

但是,很快孩子们就找到了自己的乐趣——在月球上蹦蹦跳跳,有趣极了!因为月球吸引力小,只有地球的1/6,所以人到了月球会变得特别轻,可以跳得很高。“如果在地球我也能跳得这么高,我就是世界冠军了,嘻嘻!”航航想。

“月球上为什么不会天黑啊?”贝贝问。

爱国爸爸说:“因为我们正处在月球的月昼期啊!地球绕轴自转一周叫做“一天”,时间约24小时。那么,月球上的“一天”又该有多长呢? 月球是地球的卫星。它在绕着地球公转的同时,也在不停地做自西向东的自转运动。所以,月球上也有太阳东升西落的现象。不过,这跟地球上的日出和日落的情景完全不同。在月面上,黑夜和白昼的交替非常突然,这是因为月球上没有大气散射阳光的缘故,所以看不到地球上所能见到的“晨昏朦影”(在日出以前和日落以后的相当时段,天空仍然很明亮,这种状态叫“晨昏朦影”)。在月球上看太阳东升西落,需要很长的时间。在地球上,早上6点钟,太阳从东方升起,到正午12点升到中天,其间只需6个钟头;再从中天慢慢西移,直到落下地平线,也仅需6小时;在经过12小时的黑夜之后,第二天又从东方升起,开始了新的一天。但在月球上却不是这样。在月球上,太阳从东边升出“月平线”之后,要经过160多个钟头才能升至中天;从中天移至西边月平线落下,又需160多个钟头;再经过320多个小时的黑液,才算一个“昼夜” 。这就是说,月球上的一个昼夜(即习惯上所说的“一天”),大约是地球上的4个星期左右。确切地说:地球上的一昼夜是23小时56分4秒(简化为“24小时”),月球上的一昼夜则长达27.32天(即“阴历”的一个月)。而且我们住的月宫旅馆地处月球的北极,是永久光照区,没有黑天的,这保证了我们持续有太阳能可利用。”

随后的几天,航航他们依次参观了月球上其它景点。比如参观月球背面,那可是我们在地球上无法观察到的月面;登上月球上一处太阳永不落的山峰,在月球上欣赏太阳和地球;参观月球工厂和农场,3D打印键一按,以月壤为原材料的工具立刻被3D打印出来,太空园丁在月球植物工厂种植了各种粮食、蔬菜和水果。植物在月球工厂生长得特别好,经过几十年的建设,人类已经几乎可以在月球上自给自足了。

“月球上太好玩了,火星肯定更好玩,爸爸,我们好期待去火星啊!”贝贝说。

终点站——火星

 

在月球上停留了3天后,航航他们离开月面,越飞越远,浩瀚的宇宙无边无垠,既黑暗又寂静。时而有小小的流星在身边闪过,仿佛只要伸手就可以把它摘下。

“就快到了,瞧,前面有颗橙红色的星球。”爱国爸爸说,“那就是我们这次旅行的终点站——火星。它的许多特征与地球近似,如果按离太阳由近及远的顺序,火星为第四颗行星,距离太阳22794万千米,约为日地的1.5倍。自转一周比地球多半个多小时,所以和地球的昼夜长短基本差不多,而且像地球一样有着一年四季的变化,但绕太阳公转的周期,火星的一年几乎等于地球的两年。更重要的是,人们在火星上找到了水源。”

飞船降落在一座环形山的旁边。火星车将航航他们接到火星基地,他们入住了火星旅馆的“火星宫”,火星宫内像月宫中一样,绿植环绕,生机勃勃,生物再生生命保障系统也是火星基地生命保障的核心技术,正在形成火星生物圈。“虽然我们在火星上找到了水,但是水资源都是有限的,我们火星基地中依然要循环再生利用水资源,只有节约利用、科学利用,才能可持续发展。不能再重蹈地球生态危机的覆辙。”火星机器人介绍道。

航航他们将在火星停留一周时间,借助密封的火星漫游车游览火星的景点。

火星漫游车经过特殊的设计,能够应对严酷的火星环境。

火星的大气:稀薄,气压700帕(地球大气密度的7%),成份:95%C02,2.7%N2,l.6%Ar,0.13%02,0.03%水蒸气,少量甲烷及微尘;

火星云层:主要是C02,无O3层,因此宇宙射线辐射较强;火星上经常刮风暴,沙尘满天,此起彼伏,风速可达180m/s。

火星温度:火星表面尽管有温室效应,但是由于空气较稀薄,因此,白天-12oC,晚上-76oC,平均-32oC;夏日中午短时可达29oC以上,冬夜在-125oC以下。漫游车乘客舱由多层舱壁包裹,即使车体最外层受损,舱内气压也不会降低。散热翼片有助于控制舱内温度,太阳能板为车内提供电能。

火星到处是绚丽的橙红色,连天空都泛着些许的红,“好美啊!”航航忍不住赞叹道。

火星可干净了,不像地球脏兮兮的。在这里,每天都有火星机器人清洁工打扫卫生。在火星,对垃圾的管理是很严格的,垃圾都要分类回收,统一处理再生利用,如果你随地乱扔垃圾的话,环境警察机器人马上会发现,并对你做十分严厉的处罚。

不知不觉,一周的火星之旅结束了,航航他们依依不舍地离开了火星,孩子们在心里喊着,“如果有机会我们还要来一次火星!”他们登上飞船的那一刹那,泪水模糊了每个人的视线。他们暗下决心:“我们要用火星、月球上的知识为地球做出贡献。”

返程的舷窗边,他们出神地望着一个个星球,月球、火星、木星、土星、金星、天王星、海王星……最后还看到了各种各样不知名的星球,感叹着太空太神奇了。

他们看得入神了,忘记了返回地球的时间。燃料快用完时,飞船响起了警报,飞船船长通知大家赶快系好安全带,做好准备,飞船要急速冲向地球,然后飞船就像离弦的箭一样向地球驶去。到达地球时燃料只剩百分之五了。好险呢!总算安全返回地球了。

又一个夜晚降临了,此时的星际旅行者们满载着收获、感动和幸福……

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