为什么我们上得了天，却很难进入深空探索？

首先祝贺天宫二号发射成功。我们终于建立了自己的空间实验室，航天员将能够在近地轨道工作和生活 30 天，开展一定规模的科学研究。

再过几年，我们就将拥有自己的空间站了。 今天恰逢中秋。仰望明月，我们不禁想，有没有可能真正在月球建造“广寒宫”呢？或者更远，人类有没有可能登陆火星呢？

实际上，这些梦想可能会在不远的将来变成现实。（中部微交易邀请码 779494）比如，我国的科学家们正在论证思考载人登月的可行性[1]，美国从布什政府提出的“重返月球计划”也早已切换到奥巴马政府更加具有野心的“载人火星计划”（图 1）。

今年，一些航天公司也来凑热闹。5 月 23 日，洛克希德马丁公司透露，将在 2028 年前发射一艘命名为“火星大本营”的载人飞船搭载 6 名宇航员于 2028 年进入环火星轨道[2](链接有震撼视频)。6 月 2 日，艾伦 - 马斯克宣布，SpaceX 将于 2024 年开始执行载人火星登陆计划，并将在 2025 年到达火星[3]。

月球已被纳入地球经济圈，美国政府首开先河，批准私营公司开展登月活动[4]。且不说月球是否能开采到有用的资源，美国政府的鼓励是否会掀起月球圈地运动？

不管怎样，随着人类文明发展和科技进步，人类的探索疆域逐步向海洋、大气、近地轨道甚至月球拓展。二十一世纪，人类将有望实现地外移民，小行星、火星等地外星体将留下人类的足迹。正如航海时代创造的奇迹一样，载人深空探索将会创造人类发展史的下一个奇迹。

NASA 的载人深空探索路线图

言归正传，面对一个遥远的、存在众多未知因素的星球，载人深空探索会面临一系列前所未有的技术挑战，包括刚才前几位讨论者提到的动力推进技术、进入着陆技术、再生式环控生保技术、航天员的生理心理问题、长期失重问题等等。我想再从人类在地外星球生存与发展面临的根本问题，跟大家进一步探讨可能涉及的技术。我们知道，航天员平均每天要消耗约 0.9kg 的氧气，并排出大约 1kg 左右的二氧化碳，并且每天需要饮用大约 2.5kg 的水，食用约 0.6kg 的食物，还需保持合适的温湿度环境。以载人火星探测为例，为保障最小乘员组（假定 6 人）一个任务周期（假定 2 年）长期生存的基本物资需求约 18 吨，也难怪 NASA 曾设计出一个重达 400 吨的“火星船”。因此，若人类想真正实现地外生存，则必须要摆脱对地球母亲的依赖，充分利用原位资源，就地取材，满足自身需求。

因此，美国 NASA 最新发布的载人探索技术路线图的核心就是原位资源利用（ISRU），包括原位资源的探测、提取与利用。

事实上，通过利用原位资源，将大大减少必须从地球携带的物资，因此将会大大降低航天任务的成本。原位资源利用是人类“脱离地球的生存能力”。

对火星移民者来说，火星上两种潜在的资源，即大气中的二氧化碳和浅表土壤中的水，是生存与发展的基础。有证据显示火星浅表广泛存在水，即使在赤道区域也是如此。

如果这些水可提取，这不仅可为人类提供饮用水，而且将可制备氢和氧。但这种形式的原位资源利用其主要难点不在于方法本身，而在于浅表水资源的勘探。

这需要利用气球、飞机或滑翔机、着陆器、轨道器等多种平台携带探测仪器进行大范围浅表观测。在获取了氢资源的基础上，还可以利用火星大气的二氧化碳与氢反应生产甲烷和氧气，为返回地球提供推进燃料。

另外，火星移民者还需利用土壤资源生产建筑材料、提取金属材料，进行基地建设和工业生产。这可能需要突破颗粒输运、分离，激光 / 微波加热、化学处理萃取、3D 打印原位制造等技术，感觉像需要建一系列工厂啊。

最后，还需强调的是（NASA 的路线图有点忽略啊），以上的一切一切都需要能源啊！因此，原位的能源收集与转换也是非常重要的，这也是我们团队研究的重点方向之一。

火星上可原位获取的能源形式主要包括太阳能和风能，月球上可能只有太阳能是可以直接获取的。但是，和无人探测器相比，有人地外基地的能源需求(电能 + 热能)要大的多。月夜和火夜无法获取太阳能时，无人探测器采用的同位素电源区区数十瓦，最多上百瓦的能量对载人系统来说根本不够用。

靠化学储能电池的话需要数吨的重量，但这都需要从地球提供。因此，利用地外天体土壤储能也是原位资源利用的一种重要方式。 我们再次反观地球，我们赖以生存的家园。正如著名经济学家鲍尔丁（Kenneth E. Boulding）所形容的“地球就是太空船”，人类唯一赖以生存的地球仅仅是茫茫无垠的太空中一艘小小的飞船。

人口和经济的不断增长将使我们人类面临与载人深空探索一样“有限资源的窘境”。只有可持续的能源与资源利用，才能使我们的地球飞船足够容纳我们大家。