有了它，火星就能变身宜居星球？

许多严格的科学项目试图将火星转变成一个类似地球的行星，但是这些项目都需要巨大的工业生产能力，并且没有现实地假设火星上有足够的二氧化碳。

位于火星北部的科洛列夫陨石坑是一个完全被冰覆盖的陨石坑，直径50.6米。这张照片是由欧洲航天局火星快车拍摄的。

在行星科学领域，有一个几乎公开的秘密:大多数研究人员第一次进入这个领域，是受美国科幻作家金·斯坦利·罗宾逊在20世纪90年代写的《火星三部曲》的启发。这本书描述了从火星殖民到火星最终“地球化”的故事，这在研究火星的学者中很有影响。

但在2019年，当我重读这部科幻小说时，我注意到书中的一些场景仍然遥不可及。把第一个人送上火星还需要很长时间，更不用说把火星变成人类居住地了。

许多严格的科学项目试图将火星转变成一个类似地球的行星，但是这些项目都需要巨大的工业生产能力，并且没有现实地假设火星上有足够的二氧化碳。几年前，当我们开始考虑这个问题时，我们决定采取完全不同的方法。当研究火星的历史气候时，我们很快发现火星在历史上是一个间歇性的可居住星球。它与地球不同，它是一个独特的、完全不同的星球。因此，当我们考虑如何让火星成为人类未来的宜居之地时，我们应该从火星获得更多的灵感。

火星上有一种特别有趣的自然现象，称为“固态温室效应”，即每当火星进入夏季，其极地冰盖下的冰层就会急剧升温。当可见光传播到冰盖下的隔热材料内部时，就会出现这种现象，这将由于能量限制而产生强烈的热效应。

受这一现象和几年前我分配给研究行星气候的研究生的一个问题的启发，我们开始研究火星表面覆盖一薄层透明固体物质能产生多少热量。在实验中，我们使用了一种全新的硅气凝胶。这种特殊材料具有优异的隔热性和低密度(超过97%的成分是空气)，并且对可见光几乎透明。这些特性使它成为制造固态温室效应的理想材料。

美国国家航空航天局已经将硅气凝胶用于火星探测器内部的隔热和其他项目。通过综合实验数据、模型和第一性原理理论，我们发现火星表面上只有2-3厘米厚的气凝胶材料或不太高，大多数有害的紫外线可以被分离，并且火星表面可以保持足够的温度供藻类或蔬菜生长。与之前的计划相比，我们的计划是从局部地区逐渐发展起来的，更有可能把火星变成一个宜居的地方。

接下来应该做什么？尽管这个计划的基本物理部分已经非常完整，但是在如何利用这个计划来建造一个真正的火星定居点方面，还有很多工作要做。首先，硅气凝胶非常脆弱。作为一个强大的外部保护和控制内部压力，它需要改进，如与其他材料混合。另一个问题是如何在火星上提供足够的二氧化硅气凝胶。因为硅气凝胶足够轻，它们可以从地球运输到火星，但是最好的方法是在火星上生产硅气凝胶。

硅气凝胶的标准制造方案包括高压二氧化碳干燥过程，该过程可以从火星大气中获得。值得注意的是，地球上的一些生命形式(如玻璃海绵和硅藻浮游植物)可以有效地生产纳米级硅气凝胶。想象一下，火星上的生命最终会产生类似硅气凝胶的物质，形成一个可持续的可居住的生态系统。

事实上，我们的下一步是在实验室增加火星实验的规模和复杂性，并在试验场进行初步实验。虽然火星非常独特，但地球上有一些与其非常相似的不适合居住的地区，如智利的阿塔卡马沙漠和南极洲的麦克默多干旱河谷地区。如果我们能证实该计划在这些地区的可行性，这将是在火星表面证明其可行性的一大进步。

火星改造的最大障碍将是“行星保护”:任何将生命转移到火星的计划都必须避免污染已经存在的土地。与之前提出的火星全球地形改造计划相比，我们的局部和可扩展计划更容易控制，但未来的“行星保护”仍是一个需要详细考虑的问题。

要在其他星球上建立一个实用且自给自足的栖息地，我们还有很长的路要走。如果人类选择将火星改造成一个可居住的星球，我们的研究将提供一个可行的计划，在未来几十年内无需花费几个世纪就能实现。这是一件非常令人兴奋的事情。

作者:罗宾·沃兹沃斯是哈佛大学环境科学与工程副教授。

本文翻译:高红，大连海事大学物理学教授。他目前的研究兴趣包括融合物理理论和模拟、复杂系统的同步动力学及其在自然、社会、哲学、经济和艺术等跨学科领域的应用。

新材料能把火星变成一个宜居的星球吗？