往返至少需要500多天，宇航員冬眠到火星靠譜嗎？

采訪專家：

鄭永春（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)行星科學(xué)專家）

龐之浩（全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）

人類登陸火星的愿望變得越來越急切，但是在目前的技術(shù)條件下，往返至少500多天的旅程成了一個(gè)巨大的障礙。不僅宇航員會(huì)面臨長(zhǎng)時(shí)間的宇宙輻射、肌肉流失、旅途寂寞等身心健康問題，而且飛行中的食品、飲水、氧氣等大量的物資消耗怎么解決，也是讓科學(xué)家們十分頭痛的問題。

讓宇航員像地球上的冬眠動(dòng)物一樣，通過冬眠的方式去火星能否成為一種可行的方案？目前歐洲航天局（ESA）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已經(jīng)展開了相關(guān)研究。

▲在1986年的電影《異形》中，宇航員通過休眠艙度過漫長(zhǎng)的太空旅途（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

宇航員冬眠去火星有很多好處

很多人覺得要宇航員冬眠，就是將其冷凍。其實(shí)宇航員冬眠并不是冷凍，只是通過適當(dāng)降低體溫讓宇航員進(jìn)入冬眠狀態(tài)，解決現(xiàn)在宇航員去探索火星時(shí)間太長(zhǎng)的一些難題。

眾所周知，為了躲避低溫環(huán)境和食物緊缺的困擾，很多哺乳動(dòng)物都會(huì)冬眠。譬如冬天一到，刺猬就縮進(jìn)泥洞里，蜷著身子不食不動(dòng)，它幾乎不怎么呼吸，心跳也慢得出奇，每分鐘只跳1～10次。全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩研究員表示，動(dòng)物冬眠以后，其新陳代謝會(huì)變得非常緩慢，帶來的第一個(gè)好處就是物資消耗減少。去火星時(shí)，以現(xiàn)有的技術(shù)，往返一趟不計(jì)算在火星停留的時(shí)間，至少都需要500多天的時(shí)間，這么長(zhǎng)時(shí)間所需要的飲食和氧氣消耗及廢棄物處理是個(gè)很大的問題。

▲藝術(shù)家對(duì)載人火星航天器的概念，其中包含一個(gè)供冬眠的宇航員使用的停滯場(chǎng)所（位于中央的管中）（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)行星科學(xué)專家鄭永春研究員說，根據(jù)我國(guó)航天員的代謝指標(biāo)，其每天大約需要1.75千克的食品，2.2千克的飲用水等。盡管在飛行器上部分菜蔬可以種植，水、氧氣及一些廢棄物也可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，并且人類已經(jīng)在空間站及航天器中實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)，但是宇航員去火星時(shí)間太長(zhǎng)，這些物資消耗的供應(yīng)及廢棄物的處理依舊面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

另外，宇航員所面臨的骨質(zhì)脫鈣、肌肉萎縮、太空輻射等因素也是難題。

龐之浩表示，宇航員如果能夠在一些時(shí)間段進(jìn)入冬眠狀態(tài)，由于身體代謝水平的大幅下降，就可以大幅減少所需要的飲食消耗。

并且，冬眠能減少宇航員對(duì)活動(dòng)空間的需求，可以減小火星飛船的體積，這不僅能降低火星飛船的研制和發(fā)射成本，也有利于火星飛船增強(qiáng)防輻射，比如可增加飛船艙壁厚度。

另外，冬眠還可能會(huì)減少長(zhǎng)期失重對(duì)宇航員造成的系列生理上的影響，在長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)中產(chǎn)生的心理孤獨(dú)感也能夠得到大幅緩解。

歐洲航天局和NASA的進(jìn)展：已經(jīng)有了行動(dòng)方案

讓宇航員通過冬眠的方式解決太空探索旅途的一些挑戰(zhàn)，并不是現(xiàn)在才提出的方案，多年來眾多科幻電影中一直都有一些相應(yīng)的橋段。2019年初上映的我國(guó)科幻電影《流浪地球》中，宇航員遇到危急時(shí)刻就會(huì)立刻進(jìn)入休眠艙休息以度過危險(xiǎn)期，也能夠看到冬眠技術(shù)的影子。目前歐洲航天局和NASA的科學(xué)家們，正在計(jì)劃將宇航員的冬眠從科幻變成現(xiàn)實(shí)。

▲冬眠的宇航員很容易“包裝”起來（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

歐洲航天局認(rèn)為“可控的冬眠是載人太空飛行中一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)”，并且成立了專門從事相關(guān)研究的“專題小組”，小組的科學(xué)家們已經(jīng)研究了將冬眠技術(shù)用于載人探測(cè)火星任務(wù)的可行方案，設(shè)計(jì)了初步的航天器冬眠居住模塊草圖。

根據(jù)歐洲航天局提出的方案，和有冬眠習(xí)性的動(dòng)物類似，宇航員在進(jìn)入冬眠前要先“增脂”以儲(chǔ)存能量，之后通過服用一種特殊藥物進(jìn)入“麻木”的冬眠狀態(tài)，隨之艙室的亮度變暗、溫度大幅度降低以將宇航員身體“冷卻”。但是在往返的旅途中，宇航員需要提前蘇醒，度過至少21天的休養(yǎng)期。

歐洲航天局公布的草圖顯示，其登陸火星的整個(gè)冬眠居住模塊為圓柱形，直徑僅有5.9米，高度僅為5.33米，擁有生命保障、居住、儲(chǔ)藏、工作等9個(gè)系統(tǒng)隔間，能夠滿足6名宇航員需求。如果不使用冬眠技術(shù)，整個(gè)居住模塊的直徑和高度要達(dá)到8～9米，體積達(dá)到前者的3倍，這將需要更多的能源消耗，新方案的優(yōu)勢(shì)顯而易見。根據(jù)計(jì)劃，歐洲航天局希望能在未來20年實(shí)現(xiàn)載人冬眠火星探測(cè)，只是目前其宇航員冬眠探測(cè)火星方案還不成熟，還有一系列的技術(shù)問題需要克服。

在美國(guó)，近些年位于亞特蘭大的SpaceWorks公司已經(jīng)從NASA獲得兩輪資金,研究宇航員冬眠的技術(shù)問題。SpaceWorks設(shè)計(jì)的冷凍休眠艙將使宇航員進(jìn)入惰性麻木狀態(tài)，即短期的冷凍休眠狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，宇航員的生理活動(dòng)降低，通常表現(xiàn)在體溫降低、新陳代謝速度下降等。這將大大減少宇航員對(duì)外界物質(zhì)的需求，進(jìn)而大幅減少所攜帶的補(bǔ)給品。

為了讓過程可控，SpaceWorks公司已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)三級(jí)系統(tǒng)。第一步使用鎮(zhèn)定劑放緩肌肉，避免移動(dòng)。第二步將人的體溫降低約5℃，從而降低50%～70%的細(xì)胞活性和代謝速率，這是通過散熱墊和通過鼻子吸入的一種冷卻液使人體由內(nèi)及外降溫。最后，通過靜脈滴注供給人類所必需的營(yíng)養(yǎng)來維持生命。

在SpaceWorks公司的方案中，宇航員將在藥物誘發(fā)的低溫狀態(tài)下休眠14天，然后清醒2～3天換班，以滿足其他宇航員休眠需求。當(dāng)宇航員處于冷凍休眠狀態(tài)時(shí)，身上將掛滿各種傳感器，以便于讓其他清醒的宇航員隨時(shí)監(jiān)控他們的狀態(tài)。因?yàn)橐琅f面臨一些需要突破的難關(guān)，目前NASA還沒有讓宇航員冬眠去火星的具體時(shí)間表。

宇航員冬眠面臨多重技術(shù)難題

盡管歐洲航天局和美國(guó)的宇航科技公司現(xiàn)在已經(jīng)在宇航員冬眠去火星的設(shè)想上提出了方案，并解決了一些難題，但是攔在路上的重重技術(shù)障礙依舊不可小覷。

首先是動(dòng)物冬眠的機(jī)制還沒有完全搞清楚。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外也有不少科研人員深入研究動(dòng)物的冬眠行為，雖然取得了很大的進(jìn)展，但是截至目前，冬眠動(dòng)物在漫長(zhǎng)的演化道路上形成冬眠行為的機(jī)制，依舊沒有完全搞清楚。這意味著現(xiàn)在人類還無法通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)和動(dòng)物一樣的冬眠。

另外，我們都知道，有冬眠習(xí)慣的動(dòng)物是通過恒溫喚醒的辦法從冬眠中蘇醒過來的，也就是當(dāng)春天來臨達(dá)到溫度足夠高之后，動(dòng)物就會(huì)自己醒來。由于宇航員并沒有冬眠的習(xí)性，則需要設(shè)立一個(gè)喚醒宇航員的裝置。在演化的道路上，冬眠動(dòng)物已經(jīng)形成了十分輕松自如的冬眠和蘇醒狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換機(jī)制，但是人類并沒有形成這樣的機(jī)制。這些問題都是需要逾越的難關(guān)。

▲宇航員冬眠面臨多重技術(shù)難題（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)，也許科學(xué)家們會(huì)獲得成功。這主要是人類存在冬眠中生存的可能性。2006年10月，一個(gè)叫打越三敬的35歲日本人和同事一起出外燒烤時(shí)走散，跌落到一處雪山上摔壞了屁股。之后陷入了冷凍昏迷狀態(tài)，直到他好像已無生氣的身體被救援人員發(fā)現(xiàn)時(shí)，他在雪山上睡了24天。發(fā)現(xiàn)他的時(shí)候，醫(yī)生確定他的新陳代謝幾乎處于停滯狀態(tài)。隨后他在神戶的一家醫(yī)院蘇醒了過來。這個(gè)事件的出現(xiàn)讓科學(xué)界認(rèn)為，只要找到了合適的方式，是能夠通過一些手段讓人冬眠并實(shí)現(xiàn)喚醒的。

龐之浩說，宇航員冬眠的前提是必須首先在地球上完成有關(guān)實(shí)驗(yàn)，只有充分論證了可行性與安全性，才能夠予以實(shí)施，因此還不是短時(shí)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的事情。

好消息是，美國(guó)近些年的研究表明，減緩新陳代謝有助于對(duì)抗肌肉萎縮（冬季不會(huì)失去肌肉）、骨質(zhì)脫礦和宇航員在無重力環(huán)境中經(jīng)歷的顱間壓力，甚至有一些證據(jù)表明它可以幫助防止輻射。

兩種方式誰(shuí)會(huì)勝出還是未知數(shù)

龐之浩表示，在未來人類登陸火星的方案選擇中，宇航員冬眠的方式并不一定就是最為理想的方案。因?yàn)榫褪嵌呒夹g(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，由于旅途的時(shí)間并沒有因?yàn)椴捎梅嵌叩姆绞桨l(fā)生多大的變化，宇航員遭受的太空輻射雖然可以通過增厚增加飛船艙壁厚度和冬眠的方式減輕，但還是會(huì)遭受長(zhǎng)時(shí)間的太空輻射，肌肉萎縮、骨質(zhì)流失等其他一些太空病也不能被排除。

另外，冬眠甚至還會(huì)讓宇航員增加一些新的身體機(jī)能方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橛詈絾T在冬眠以后，長(zhǎng)時(shí)間的非活動(dòng)狀態(tài)也會(huì)造成肺炎等身體機(jī)能的嚴(yán)重傷害，人類長(zhǎng)時(shí)間冬眠對(duì)內(nèi)臟的影響也尚不清楚。

▲冬眠技術(shù)或許有助人類實(shí)現(xiàn)探測(cè)火星的夢(mèng)想（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

因此除了冬眠，現(xiàn)在科學(xué)家們還在探索研制具有更快速度的核動(dòng)力火箭和飛船。龐之浩表示，常規(guī)火箭飛行速度為每小時(shí)2萬公里，而核動(dòng)力火箭能達(dá)到8萬多公里，目前制約人類太空探索腳步的一個(gè)核心問題就是路上花的時(shí)間，如果有了更快的運(yùn)載工具，譬如去火星，單程的旅途能夠縮短到一兩個(gè)月，則就更方便了，宇航員的物資消耗、長(zhǎng)時(shí)間太空輻射等問題得到解決，也就用不著通過冬眠的方式了。當(dāng)然，核動(dòng)力火箭和飛船現(xiàn)在也還需要跨越一些技術(shù)難關(guān)。

不過從長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，宇航員實(shí)現(xiàn)無傷害冬眠和喚醒是必須要突破的技術(shù)難題，因?yàn)橹挥型黄七@個(gè)難關(guān)，人類去探索更為遙遠(yuǎn)的宇宙空間才有可能。（撰文/記者 李鵬 圖文編輯 陳永杰）

出品：科普中央廚房

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