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《火星救援》:看地球人如何火星生存一千天
鄭永春
2015年11月25日出品：科普中國
制作：中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 鄭永春 張碩 孔嘯 陳潔
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
地球人如何在火星上生存？正如貝爺拍攝的系列紀(jì)錄片《荒野求生》被很多戶外運(yùn)動(dòng)愛好者作為野外生存指南一樣，由馬特 達(dá)蒙主演的年度科幻大片《火星救援》以其豐富的科學(xué)內(nèi)涵，在一定程度上可以作為人類登陸火星前的火星生存手冊(cè)?！痘鹦蔷仍酚?0世紀(jì)?？怂闺娪肮九臄z，上映一周就輕松登頂北美電影票房冠軍，上映后的同期票房業(yè)績(jī)與2013年的《地心引力》（5579萬美元）相當(dāng)，比去年上映的《星際穿越》（4751萬美元）高出16%，并于近日正式登陸中國大陸院線。由于《火星救援》中加入了許多中國元素，可以預(yù)見上映后將在寒冷冬日掀起觀影熱潮。
一、劇透篇：業(yè)余太空迷成就火星人
1.業(yè)余太空迷寫就科幻大作影片《火星救援》根據(jù)安迪 威爾（Andy Weir）2012年出版的同名小說（The Martian）改編。臺(tái)灣三采出版集團(tuán)翻譯出版了繁體中文版，書名為《火星任務(wù)》，大陸譯林出版社引進(jìn)出版了簡(jiǎn)體中文版。
作者安迪 威爾的正式工作是一名電腦程序員，也是一位業(yè)余的科幻作家。安迪 威爾是一位狂熱的太空迷，他甚至利用專業(yè)特長(zhǎng)，編寫了一個(gè)專門用于計(jì)算從地球到火星旅行所需航行時(shí)間的程序。他曾經(jīng)預(yù)測(cè)人類將在未來二三十年內(nèi)登陸火星。
實(shí)際上，《火星救援》早在2009年就已經(jīng)寫作完成，安迪 威爾把這部小說放在自己的網(wǎng)站上連載，供人免費(fèi)閱讀。由于讀者反響不錯(cuò)，他把小說放到亞馬遜網(wǎng)絡(luò)書店上出售，定價(jià)0.99美元，如此一來，喜歡該書的讀者就可以在Kindle上方便地閱讀。短短3個(gè)月《火星救援》就賣出了3500份，榮登亞馬遜2014年科幻類暢銷書榜首。更幸運(yùn)的是，這部小說被好萊塢看中，拍成了同名電影，安迪 威爾也由此成名。
自出版起，《火星救援》經(jīng)受了科幻迷、太空迷和專業(yè)人士的檢驗(yàn)，得到眾多好評(píng)。功勛航天員克里斯 哈得費(fèi)爾德（Chris Hadfield）評(píng)價(jià)認(rèn)為，作為一部科幻小說，故事講得非常精彩，而且技術(shù)上有很高的準(zhǔn)確性。
《火星救援》是一部3D科幻片，英文片名為《The Martian》，中文片名則五花八門，《火星任務(wù)》、《絕地求生》、《絕地救援》、《火星人》等等。若從書名直譯，翻譯成“火星人”也能接受，但考慮到影片的核心主題，翻譯成“火星救援”更為合適。
執(zhí)導(dǎo)《火星救援》的是好萊塢著名導(dǎo)演雷德利 斯科特（Ridley Scott），生于1937年的他曾經(jīng)執(zhí)導(dǎo)過《異形》（1979）、《銀翼殺手》（1982）、《末路狂花》（1991）、《角斗士》（2000）、《普羅米修斯》（2012）等知名影片。斯科特執(zhí)導(dǎo)的片子以畫面感見長(zhǎng)，畫面精美，細(xì)節(jié)豐富，道具精致但又十分寫實(shí)。
曾獲奧斯卡最佳男主角的馬特 達(dá)蒙（Matt Damon）領(lǐng)銜主演《火星救援》。達(dá)蒙也曾飾演《拯救大兵瑞恩》中的大兵瑞恩。影片中，主人翁被獨(dú)自留在火星上，其他演員都圍繞拯救他回到地球的故事展開，所以幾乎成為馬特 達(dá)蒙的獨(dú)角戲。杰西卡 查斯坦、塞巴斯蒂安 斯坦、阿卡塞爾 亨涅和凱特 瑪拉等眾多明星聯(lián)袂出演。
2.拯救太空大兵馬克
《火星救援》的背景是美國國家航空航天局（NASA）在2030年實(shí)施的載人登陸火星任務(wù)。梅麗莎 劉易斯（由被稱為好萊塢“勞模姐”的杰西卡 查斯坦飾演）擔(dān)任火星考察隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)，率領(lǐng)航天員乘組登陸火星表面。在執(zhí)行任務(wù)的第六天，遭遇了突如其來的沙塵暴襲擊。 劉易斯當(dāng)即決定提前結(jié)束任務(wù)，航天員乘組緊急撤離火星，返回地球。撤離過程中，航天員馬克 沃特尼（Mark Watney）被狂風(fēng)吹起的金屬天線戳破了宇航服，身體受傷，宇航服開始漏氣，服內(nèi)壓力逐漸下降。昏倒的馬克與隊(duì)友們失去聯(lián)系。萬幸的是，從馬克身上傷口流出的血液在火星極低的氣溫下快速凝固，堵住了宇航服上的漏洞，馬克得以保命。
當(dāng)馬克跌倒時(shí)，恰好壓壞了安裝在宇航服上的生命檢測(cè)系統(tǒng)。隊(duì)友們收到的信息顯示馬克已經(jīng)罹難。由于天氣十分惡劣，無法開展搜救，在緊急情況下，隊(duì)友們不得不按照航天任務(wù)流程，立即撤離火星。
馬克孤身一人被遺棄在火星上。此時(shí)，登陸艙已經(jīng)被沙塵暴損毀、生存物資補(bǔ)給不足、眼前是一片荒涼而狂野的火星戈壁。面臨重重困難、孤立無援的馬克必須想方設(shè)法在火星上生存下去，并堅(jiān)持到隊(duì)友們來救他回地球。
馬克先是包扎自己的傷口，然后利用火星定居點(diǎn)的儲(chǔ)備物資，積極生產(chǎn)自救。他重新排布太陽能電池供電系統(tǒng)，清點(diǎn)食物，根據(jù)生存所需的最低熱量需求，估算所能支撐的時(shí)間。他搭建了蔬菜大棚，用地球上帶去的一小部分土壤與火星土壤和自己糞便混合，生產(chǎn)出有利于作物生長(zhǎng)的、富含微生物的土壤，在火星上種起了土豆。他找到之前火星任務(wù)遺棄的探路者號(hào)火星車，利用火星車上的天線重新與地面取得聯(lián)系，把自己仍然存活的信號(hào)傳回地球。NASA立即組織世界各國的優(yōu)秀科學(xué)家和工程師，與正在返回地球的航天員乘組密切合作，準(zhǔn)備重返火星、拯救馬克。
很顯然，這是一部發(fā)生在太空中的美國西部片，是火星版的《荒野求生》，也是太空版的《拯救大兵瑞恩》。這部片子展現(xiàn)了人類集體的努力，以拯救馬克回到地球，除了火星的惡劣環(huán)境外，沒有人會(huì)阻止他回到地球，馬克最終得以平安歸來。
二、干貨篇：火星生存之道
1.居住艙——火星上的家居住艙是馬克在火星上的家，也是電影中的主要場(chǎng)景之一。居住艙具有溫度、濕度和空氣調(diào)節(jié)功能，航天員在居住場(chǎng)內(nèi)活動(dòng)不需要穿著笨重的艙外宇航服，可以穿得和地面上一樣。這是馬克在火星上得以生存下來的重要保障，也是人類未來探索火星之前必須要解決的重要前提。
現(xiàn)實(shí)中，NASA在休斯敦的約翰遜航天中心建立了火星生存模擬系統(tǒng)，航天員在那里進(jìn)行訓(xùn)練，為火星上的長(zhǎng)期生存做準(zhǔn)備。火星生存模擬系統(tǒng)擁有獨(dú)立的生命保障系統(tǒng)，分為上下兩層，包括起居間、工作站及模擬氣閘艙。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，目前這套系統(tǒng)還在進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)未來的火星表面生存和作業(yè)。
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2.輻射防護(hù)——尚待解決的難題
《火星救援》中對(duì)火星輻射的描述相對(duì)較少，這非但不是火星上的輻射較弱，而是因?yàn)榛鹦巧系妮椛涮珡?qiáng)，以至于至今還沒有研發(fā)出適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)手段。
實(shí)際上，在載人前往火星的途中，航天員主要面臨兩類危害健康的輻射粒子：
一類是劑量較低，但長(zhǎng)期存在的銀河宇宙射線。能量高、穿透性強(qiáng)，很難防護(hù)，普通的飛船外殼基本上無法阻止它們，即使是30厘米厚的鋁板，防護(hù)效果也極為有限，嚴(yán)重威脅航天員健康。
另一類是太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射時(shí)產(chǎn)生的太陽高能粒子，通常是指能量為數(shù)百兆電子伏特的質(zhì)子，能量比銀河宇宙射線的能量要低得多，持續(xù)時(shí)間較短，利用飛船外殼可以進(jìn)行有效防護(hù)。預(yù)測(cè)未來的載人火星飛船很可能會(huì)配備一間‘太陽風(fēng)暴庇護(hù)所’，在太陽風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，航天員可以躲進(jìn)庇護(hù)所，抵御來自太陽的高能粒子。
在載人登陸火星前，科學(xué)家希望了解火星上的輻射環(huán)境，以便為航天員設(shè)計(jì)有效的輻射防護(hù)系統(tǒng)。2011年11月26日發(fā)射的好奇號(hào)火星車搭載了一臺(tái)輻射評(píng)估探測(cè)器（RAD），測(cè)量飛船內(nèi)部的高能粒子輻射環(huán)境，目的是為未來載人火星旅行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)2013年5月31日發(fā)表在《自然》雜志上的文章，按照RAD的測(cè)量數(shù)據(jù)，航天員在火星上接受的累計(jì)輻射劑量，相當(dāng)于每星期接受一次全身CT掃描。
隨著科技的進(jìn)步，未來有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新型的輕質(zhì)材料，或許會(huì)比鋁板具有更好的防護(hù)效果。但即使找到這種新型防護(hù)材料，也只能降低部分輻射劑量，穿透防護(hù)材料的射線仍然會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。因此，防輻射是航天員登陸火星面臨的重要難題?，F(xiàn)實(shí)的選擇是就位利用火星土壤，加入粘結(jié)劑固結(jié)成型，或用包裝物填充火星土壤，一定厚度的土壤將可以有效地降低太空輻射對(duì)航天員的危害。
水是生命之源，火星上的水資源實(shí)在太珍貴了，沒有水航天員在火星上將完全無法生存。雖然水在太陽系中非常豐富，火星上也曾經(jīng)有過大規(guī)模的水，以及許多河流和湖泊。但現(xiàn)在的火星上還沒有找到可用的水源，NASA剛剛宣布發(fā)現(xiàn)的火星液態(tài)水也只是含有高氯酸鹽的有毒鹵水，分布在少數(shù)的火星撞擊坑陡坡上。航天員火星生存所需的水仍是一個(gè)困難，因此再生水回收系統(tǒng)就變得非常重要。
影片中，聰明的馬克每天計(jì)算自己所需攝入的熱量（卡路里）和水，他不會(huì)浪費(fèi)任何一滴水，在沒有任何外來資源和地面救助的情況下，他研發(fā)了一套再生水回收系統(tǒng)，盡可能收集火星居住艙內(nèi)的所有水氣，讓自己得以生存下去。
現(xiàn)實(shí)中，這樣的再生水回收系統(tǒng)已經(jīng)在國際空間站上得到了成功應(yīng)用。在國際空間站，同樣不會(huì)有任何一滴汗水、眼淚或尿液被浪費(fèi)。這種新的凈水系統(tǒng)被稱為“水膜”，這種隔膜利用納米技術(shù)和調(diào)節(jié)生物體水分的蛋白質(zhì)技術(shù)，可以將汗液、尿液等廢水轉(zhuǎn)化為可飲用水。
利用這套再生水回收系統(tǒng)，國際空間站內(nèi)收集的水分經(jīng)過過濾、凈化后循環(huán)利用。有位航天員曾經(jīng)形象地說過，在國際空間站上，我今天喝的咖啡就源自昨天喝下去的咖啡。個(gè)中含義，想必你懂的，在紀(jì)錄片荒野求生和地震救援中，很多人甚至靠喝尿液才得以生存下去。其實(shí)，這一幕每天都在國際空間站上演……
除了住所、食物和水，在火星上生存還有一項(xiàng)重要的條件：氧氣?；鹦巧蠜]有氧氣，馬克無法隨意進(jìn)行艙外活動(dòng)，他必須隨身攜帶氧氣補(bǔ)給。月球生存未來所需的氧氣或許要依靠鈦鐵礦和氫氣的氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)水，然后用水來電解產(chǎn)生氧氣?；鹦巧嫠璧难鯕庖瞾碜杂谒姆纸?，以電解方式分離水分子中的氧氣和氫氣，這套制氧設(shè)備已經(jīng)成功用于國際空間站。氧氣釋放到空氣中用于維持生命，氫氣則進(jìn)入制水循環(huán)系統(tǒng)。
《火星救援》中，航天員馬克是一位植物學(xué)家，他被選中作為航天員登陸火星的原因是為了研究火星引力對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，并篩選可以在火星上存活的植物。
要想種植作物，首先需要培養(yǎng)土壤?；鹦峭寥琅c地球土壤的物質(zhì)組成基本相同，但是地球土壤里有微生物群落，某些特定的養(yǎng)分只能通過微生物來提供，而火星土壤中沒有微生物。因此，馬克帶著少量的地球土壤和一把種子登陸火星，希望試驗(yàn)不同比例的火星土壤與地球土壤混合來種植作物。
但是，馬克只帶了一小盆地球土壤，以及地球上最頑強(qiáng)且最容易種植的作物種子——幾種野草和羊齒草，只是為了把它們作為測(cè)試作物。
火星上沒有有機(jī)物和微生物。影片中，馬克把所有能找到的有機(jī)物收進(jìn)廚余桶都儲(chǔ)存起來。按照之前的任務(wù)設(shè)計(jì)，航天員的糞便經(jīng)脫水、滅菌后裝進(jìn)密封袋里，再遺棄到火星表面。
但現(xiàn)在，這些糞便將發(fā)揮重要作用。馬克甚至出艙撿回隊(duì)友們之前遺留的完全脫水干燥的糞便，雖然這些糞便已經(jīng)完全不含微生物了，但還有復(fù)雜的蛋白質(zhì)。馬克找了一個(gè)大容器，加水并加了一點(diǎn)自己的糞便，接種微生物后即可大量繁殖，味道越臭，表示微生物繁殖得越好。（溫馨提示：有心理障礙者，觀影前請(qǐng)做好心理準(zhǔn)備）
僅有糞便作為肥料是不夠的。地球土壤中有幾十種不同的微生物，而火星土壤中沒有。馬克在糞便中加入火星土壤鋪開，再加入一點(diǎn)地球土壤，讓地球土壤中的微生物感染火星土壤，這些微生物至關(guān)重要，是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。一周之后，火星土壤就會(huì)被改造成充滿微生物的地球土壤，支撐作物生長(zhǎng)。每周被改造的土壤規(guī)模都會(huì)增加一倍。
這里我們需要做一個(gè)數(shù)學(xué)題：居住艙地面約有92平米，整個(gè)地面都鋪上10厘米深的火星土壤，總共需要搬9.2立方米的火星土壤到居住艙里，但實(shí)際上每次只能搬動(dòng)0.1立方米的火星土壤。因此要建設(shè)一片92平米的火星土壤，馬克需要進(jìn)出壓力艙92次。同時(shí)，要改造火星土壤，每立方米就需要40千克的水，建設(shè)一片92平米的菜園，需要368千克的水才可以。居住艙里擁有最先進(jìn)的凈水器，人類每天生存需要3千克水，每名航天員有50千克的水循環(huán)使用，所以居住艙共有300千克水可供使用。即使把所有水都用上的話，只能灌溉62.5平米的菜園。那么問題來了，怎樣才能獲得新的水源？被改造的62.5平米的土壤能種出多少食物？能否維持馬克的生活呢？別著急，后面繼續(xù)數(shù)學(xué)計(jì)算。
《火星救援》中，馬克把部分居住艙改造成了自體循環(huán)的小農(nóng)場(chǎng)，靠種植土豆維生。為了拍好電影，劇組也真的在攝影棚內(nèi)種了土豆，并完全任其自然生長(zhǎng)，以模擬馬克在火星上種植食物求生的場(chǎng)景。原著小說也有大部分內(nèi)容詳細(xì)介紹火星生存所需的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。因此，種植農(nóng)作物是太空探索和火星探測(cè)的重要項(xiàng)目。
馬克從食品中尋找任何可以種植的作物，如豌豆、菜豆、土豆。要獲取熱量，最佳選擇是種土豆。土豆可以大量繁殖，而且土豆也能提供相當(dāng)不錯(cuò)的熱量（每千克含有770卡路里的熱量）。
“我很確定我手上的這批是可以發(fā)芽的土豆，問題是我沒辦法種出足夠數(shù)量?！?/p>
好吧！繼續(xù)我們的數(shù)學(xué)題。在62平米的菜園里，400天可以種出150千克的土豆（食物吃光的期限），有11.55萬卡路里的熱量，每天可以提供288卡路里。但以馬克的身高和體重，即使稍稍餓點(diǎn)肚子，每天也需要1500卡路里的熱量。要維持生計(jì)，實(shí)在還差的太遠(yuǎn)。
如果光靠土豆，只能支撐多少天呢？76天！幸運(yùn)的是，土豆可以重復(fù)收獲，76天里面還可以再種出2.2萬卡路里的土豆，還可以供應(yīng)15天。因此，馬克在火星上生存的時(shí)間可以從400個(gè)火星日延長(zhǎng)至490個(gè)火星日。但他需要活到第1412天，才可以等到救援。因此，至少還缺1000天的食物，那么馬克又是如何解決食物問題的呢？
在國際空間站上，航天員通過定時(shí)的貨物補(bǔ)給獲得豐富的食品和生活設(shè)施。就在今年，國際空間站已經(jīng)成功栽培出新鮮的蔬菜。在空間站上，蔬菜屬于極具開發(fā)潛力的新鮮食材，只要用有色光線控制，蔬菜就會(huì)乖乖生長(zhǎng)，按時(shí)供航天員食用。其中生菜是最容易種植的蔬菜品種。
但在6500萬千米外的火星，馬克必須實(shí)現(xiàn)自給自足。因?yàn)榧词沟孛骜R上發(fā)射飛船，最快也要9個(gè)月后才能把食品送到火星上。因此，需要篩選適應(yīng)火星環(huán)境的作物種類，在火星上種植作物，不僅可以確保未來登陸火星的航天員能夠滿足營養(yǎng)需求，還可以大大減輕需要從地球上運(yùn)送的物資重量，顯著降低載人登陸火星的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)費(fèi)成本。
《火星救援》原本計(jì)在澳大利亞拍攝，但被當(dāng)?shù)卣芙^。后來只能選擇在匈牙利首都布達(dá)佩斯拍攝，因?yàn)楫?dāng)?shù)負(fù)碛惺澜缟献畲笞罡叩臄z影棚之一。
影片中壯麗的“火星表面”場(chǎng)景，是在約旦著名的“玫瑰沙漠”瓦迪拉姆（Wadirum）取景的，最終的效果由實(shí)景拍攝加上CG技術(shù)共同完成，讓觀眾真假難辨。CG技術(shù)是指影片本身在真實(shí)場(chǎng)景中拍攝并由真人表演為主，但穿插應(yīng)用了大量虛擬場(chǎng)景、角色、事物、特效等對(duì)象。瓦迪拉姆沙漠寸草不生，除藍(lán)天白云提醒我們?nèi)栽诘厍蛏贤?，空曠無垠，滿地紅沙，恍如真的游歷在火星表面。
