《Mars Direct》
火星是最靠近地球的適居行星。探索火星不僅具有科學價值、也能刺激技術發展、凝聚人類社群。作者 Robert Zubrin 主張,我們現今已具備載人火星任務所需的技術。因此,任務的成敗不在於更先進的能源或引擎,而在於政府的決心與大眾的支持。
Zubrin 提倡火星直航 (Mars Direct) 方案,反對 NASA 提出的複雜計畫和艾德林的循環軌道方案。他向讀者說明,探索火星不只能促進科學發展,也能凝聚人心和建立進取精神的新文化。
此書首章簡述了火星的特性:火星的公轉半徑約為地球的 1.5 倍,赤道一帶的日照量約與挪威或阿拉斯加相當,日間均溫可達攝氏十度。火星的表面積與地球陸地面積接近,大氣富含二氧化碳與氮氣。火星地表雖然沒有流體,但水分蘊藏在冰冠、永凍土與地下水。
火星是比較行星學和天文生物學的重要研究標的,也是潛在的星際移民地點。火星富含鈣、磷、硫等生命元素,也存在鐵、鎳、鋅等工業礦物。火星自轉週期與地球相似,符合植物的晝夜節律有利於農業發展。登陸火星能試驗我們在地外擴張的能力,它考驗人類集體的智慧,促使工程、醫學、管理和科學的發展。
第二章則簡述了基於火星直航策略的漸進式開發計畫。火星直航策略的重點在於就地利用資源和漸次擴張基地。這項計畫將利用載荷能力與農神五號相當的火箭,搭載以氧氣和甲烷推進的返程載具(ERV, Earth Return Vehicle)、核能反應爐、液態氫、探測車、化學反應爐。經過六至八個月飛行抵達火星,利用大氣剎車進入軌道,再配合降落傘著陸。
器具登陸後即開始生產登陸組員的生命維持資源以及載具燃料。核能反應爐供應能源,讓化學反應爐將火星大氣的二氧化碳與液態氫生成甲烷跟水,水則進而電解為氧氣與氫氣。氫氣將回收利用,甲烷則儲存以供 ERV 與探測車運用。氧氣可供人員呼吸、作為載具燃料或是重新合成水。由於可以從火星大氣取得碳和氧,登陸計畫便只需攜帶液態氫,大幅降低荷重需求。
等到最初的登陸點儲備了足夠的燃料和生命維持資源(約費時十個月),登陸組員即可出發。第二批任務共發射兩組火箭。第一組搭載組員、輜重和探測車,負責進行科學與工程任務。第二組則與第一批火箭相同,為下一次登陸準備資源,也是這次登陸的備援。這項方案不依賴月球基地、軌道母艦或是太空站。任務期間,登陸組員全數停留在火星表面以減少輻射傷害。在 2 年任務期滿後,登陸組員再搭乘 ERV 循自由返回軌道回到地球。除了第一年外,接下來平均每年發射一組火箭,逐步擴張火星的探測基地。
作者早在 1985 年即提出火星直航策略,可是 NASA 自阿波羅計畫後不再有近地軌道外的載人太空任務。作者將 NASA 的沉寂歸咎於保守且失能的官僚主義。在阿波羅計畫期間,NASA 採用目標導向的專案管理。政府設定登月目標後,NASA 依此目標規畫策略和執行計畫。登月相關的技術則隨專案進度發展。
進入二十一世紀後,NASA 則受制於委員會導向的專案管理,美國舉國上下沒有明確一致的太空發展目標,執政黨屢次推翻既有的太空計畫。在這種情況下,NASA 放任各項專案彼此競爭,導致技術發展嘉惠特定利益團體,卻未必吻合指定的探索目標。委員會導向的專案管理看似彈性,實則因為內容易變,最終一事無成。
NASA 的失能反映在火星計畫的廢止和計畫的異想天開上。雖然精神號、機會號與好奇號等地面探測任務皆獲得豐富成果,但是它們反映的是前任政府的政績。當今這些任務逐漸廢止,使得軌道衛星失聯後無以為繼,降低登陸器探索效率。在機具故障與計畫廢止之後,NASA 也面臨技術人才的斷層。
NASA 縮編預算後,不但沒有把錢花在刀口上,反而投資在科研成效較差的火星採樣計畫(MSR, Mars Sample Return)。除了目標選定的瑕疵,任務規劃上也顯得疊床架屋。NASA 並沒有採取直航方案,而是把火星採樣計畫分為數個階段:樣本首先在火星表面採集,接著送上軌道的母船,轉移至返回艙再帶回鄰近地球拉格朗日點的太空站。專案科學家再前往太空站進行樣本的分析與解讀。
這過程涉及複數太空任務,增加了失敗的風險,也推遲了完成的時機。作者認為,這樣的計畫是為了合理化既有專案,卻與目標不符。此外,失敗的專案排擠既有專案的延續,也沒有為往後的太空任務創造更優良的條件。
載人火星任務的採樣效率遠比無人機好,但 NASA 遲遲不願推行載人火星任務的理由是安全。為了降低太空飛行的輻射傷害與零重力失能,NASA 計畫發展更快速的引擎,例如 VASIMR 推進系統(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)。然而,VASIMR 依賴至今仍不存在的超導體,也需要高效能的核反應器。
作者認為,指望尚未存在的高速引擎能克服傷害毋寧是逃避現實。如果按照第二章提出的火星探索計畫,太空人的輻射暴露量約與當今國際太空站組員相當,所以並沒有承擔額外的風險。此外,利用離心力製造人造重力也能解決零重力失能。
錯誤方向不只虛擲預算,也平白錯失機會。畢竟,國家財政與國際局勢不會永遠平靜,預算安排與國民信任也非恆時持續高漲。確保任務組員的生命安全固然重要,但生命是太空任務要考量的因素,而不是目標。
作者認為 NASA 應在風險與目標之間取得平衡,並且以量化方式輔助決策,不應訴諸情緒或印象。太空人的價值可從三個方向估計:其作為國民的價格(對應政府確保國民健康的預算規劃)、作為專業人士的價值(對應受訓與培養的成本)、太空人往後的產值(太空任務能發揮的價值)。由這三項因素可以算出太空人的價值,再乘上任務失敗的機率,即構成執行太空任務的風險,可與任務的價值比較。
作者以修復哈伯望遠鏡的任務為例。哈伯望遠鏡造價約五十億美元,而作者估計每位太空人政府投資五千萬美元,而太空梭任務的失敗率為 2%(挑戰者號與哥倫比亞號),加上太空梭的造價三十億美元,修復哈伯望遠鏡的風險為 2% * (30 + 7 * 0.5) = 0.67億美元。若為了 0.67 億美元的損失放棄 50 億美元顯然不符比例。藉此案例,作者想表示 NASA 以太空人性命為由暫停計畫的理由並不充分。
另外,認為發展相關計畫能提升載人火星任務的安全性的假設也不合理。NASA 至今投入在太空站、重返月球、太空梭上的經費對於人員安全的改善有限(期間仍然發生了挑戰者號和哥倫比亞號事故)。作者認為風險須與報酬相符,NASA 獲得的預算若挹注到其他部門,能影響數千萬人的生計。載人火星任務的報酬巨大,作者認為 NASA 需要認真考慮載人任務的風險,不應無限推遲計畫。
與政府的保守態度相反,作者指出 SpaceX 或許是太空探索的另一條途徑。公司化的太空事業由負責人全權決定,使得它的開發效率比 NASA 更具彈性。因應 SpaceX 獵鷹系列的技術,作者也提出了改良式的火星拓展計劃,讓它能適用當前的技術。
最後一章,作者以另一種角度解讀馬爾薩斯人口論,提供了思考太空探索重要性的新觀點。人口論提及人口為等比增長,但糧食為等差增長。若沒加以限制則人口數增長會遠超糧食供給。
面對人口論的觀察,作者指出有兩種解讀方式。第一種是相信資源有限,為了延續生命,族群內需要管制,族群間需要競爭。管制帶來暴政,競爭引發戰爭,兩者皆限制了人類的自由。而另一種替代觀點則相信資源可以拓展,增長的人口與嶄新的社會型態能培養更多發明家,促進科技進展,改變資源供給的曲線,從而避免競爭並帶來合作。
依照資源限制觀點,族群延續的關鍵在於佔有,新生兒、移民、外地人都是在地人的威脅;依照資源拓展觀點,族群延續的關鍵在於合作,新生兒、移民、外地人都是在地人將是促進發展的夥伴。
有別於火星資源開採論,作者以社會學的角度看待火星探索的重要性。過往,戰爭促進了許多科技的發展,但也犧牲了大量人命。在當今,火星探索能夠取代戰爭,作為促進技術發展與人道主義的遠大目標。在探索火星的過程中,除了創造對應的科技外,也給予人類機會去扶植一種新的社會與進取的文明精神。開放、互助與自由的風氣是科技發展的基石,將使人類將更有能力去應對考驗文明的難題。
除了火星直航策略,巴茲艾德林也提出火星巡航模式,提倡建立往復火星地球間的太空船班,可參考他的著作《前進火星:尋找人類文明的下一個棲息地》。而 Zubrin 對這類計畫的回應也可在 《How to live on Mars》等書看到。
我覺得這本書最精采的論述在於太空探索的目的解讀。截至目前為止,甚至未來幾百年內,探勘地球資源的成本還是遠低於火星。人類的人口倍時也不斷縮短,所以指望移民火星能滿足人類的資源消耗是不切實際。
然而,火星載人任務仍是重要的槓桿,它是人類對長遠未來的投資,讓我們培養出能對應毀滅災難的能力。過去,戰爭以大量傷亡與數代人的創傷為代價,推進了科技發展。作者在此書則提出另一種選項:火星任務。一方面,它就像某種祈禱,希望人類過剩的激情與憤怒不是往彼此發洩,而是讓這些毀滅力量能朝向太空,前往人類未竟之地。另一方面,火星任務也算是一種社會運動,期望能創造出可以促進科技發展的正向循環,讓文明能夠延續。
綜上所述,這本書不長,單字也算簡單,還蠻適合了解火星計畫的入門。
Robert Zubrin. (2016). Mars direct. Polaris Books.