2020年是“火星年”，登陸火星一直是人類的夢想。但如何度過500天的漫漫行程呢？NASA和歐空局都在研究冬眠術，想讓宇航員一路“睡”到火星。
採訪專家：
鄭永春 （中國科學院國家天文臺行星科學專家）
龐之浩 （全國空間探測技術首席科學傳播專家）
“錯過2020年這個機會，人類要再等兩年零兩個月以後，才能去往火星。”明年的世界航天界的主題註定將是火星，包括中國在內的國家都準備發射火星探測器，前往那顆神秘的紅色星球。
人類登陸火星的願望變得越來越急切，但是在人類目前的技術條件下，往返至少500多天的旅程成了一個巨大的障礙。不僅宇航員會面臨長時間的宇宙輻射、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麼解決，也是讓科學家們十分頭痛的問題。
能不能像科幻電影中那樣，宇航員從登上飛船就倒頭大睡，一覺醒來已到達目的地，太空旅行就像乘坐高鐵軟臥那樣“夕發朝至”，這個人類的夢想到底能不能實現？
▲航天局研究冬眠術，讓航天員一覺睡到火星（圖片來源 ESA）
據外國媒體報道，歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）已經展開了相關研究，讓宇航員像地球上的冬眠動物一樣，通過冬眠的方式去火星，這種方案能否成為一種可行的方案？
讓宇航員冬眠去火星是個好主意
很多人看到要將宇航員冬眠，以為是將其冷凍，其實宇航員冬眠並不是冷凍，只是通過適當降低體溫讓宇航員進入冬眠狀態，解決現在宇航員去探索火星時間太長的一些難題。
眾所周知，為了躲避低溫環境和食物緊缺的困擾，很多哺乳動物都會冬眠。譬如冬天一到刺蝟就縮進泥洞裡，蜷著身子不食不動，它幾乎不怎麼呼吸，心跳也慢得出奇，每分鐘只跳1～10次。
▲為了躲避低溫環境和食物緊缺的困擾，很多哺乳動物採取冬眠的方式過冬（圖片來自網絡）
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩研究員表示動物冬眠以後其新城代謝會變得非常緩慢，其所帶來的第一個好處就是物資消耗減少，去火星時，以現有的技術，往返一趟不計算在火星停留的時間，至少都需要將近500天的時間，這麼長時間所需要的飲食和氧氣消耗及廢棄物處理是個很大的問題。
中國科學院國家天文臺行星科學專家鄭永春研究員說，根據我國航天員的代謝指標，其每天大約需要1.75千克的食品，2.2千克的飲用水，另外每天消耗的氧氣還需要電解0.9千克的水，以及1.6千克的排尿量，0.5千克的排便量等。儘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現循環利用，目前人類已經在空間站及航天器中實現這些技術，但是宇航員去火星時間太長，這些物資消耗的供應及廢棄物的處理依舊面臨著巨大的挑戰。另外，宇航員所面臨的骨質脫鈣、肌肉萎縮、太空輻射等因素也是難題。
龐之浩表示，宇航員如果能夠在在一些時間段進入冬眠狀態，由於代謝水平的大幅下降，就可以大幅減少所需要的飲食消耗。
並且，冬眠能減少航天員對活動空間的需求，可以減小火星飛船的體積，這不僅能降低火星飛船的研製和發射成本，也有利於火星飛船增強防輻射，比如可增加飛船艙壁厚度。
另外，冬眠還可能會減少長期失重對宇航員造成的系列生理上的影響，宇航員在長時間執行任務中的心理孤獨感也能夠得到大幅緩解。
ESA公佈航天器冬眠居住模塊草圖
讓宇航員通過冬眠的方式解決太空探索旅途的一些挑戰，並不是現在才提出的解決方案，多年來眾多科幻電影中一直都有一些相應的橋段。2019年初上映的我國科幻電影《流浪地球》中，宇航員遇到危急時刻就會立刻進入休眠倉休息以度過危險期，也能夠看到冬眠技術的影子。
▲科幻電影《流浪地球》中，宇航員遇到危急時刻就會立刻進入休眠倉休息以度過危險期（圖片來自網絡）
目前歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）的科學家們，正在計劃將宇航員以冬眠的方式解決漫長宇航旅途問題從科幻變成現實。
歐洲航天局認為“可控的冬眠是載人太空飛行中一種改變遊戲規則的技術”，並且成立了專門從事相關研究的“專題小組”，小組的科學家們已經研究了將冬眠技術用於載人探測火星任務的可行方案，設計了初步的航天器冬眠居住模塊草圖。
根據歐洲航天局提出的方案，和有冬眠習性的動物類似，宇航員在進入冬眠前要先“增脂”以儲存能量，之後通過服用一種特殊藥物進入“麻木”的冬眠狀態，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，宇航員需要提前甦醒，度過至少21天的休養期。
歐洲航天局公佈的草圖顯示，其登陸火星的整個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、儲藏、工作等9個系統隔間，能夠滿足6名宇航員需求。如果不使用冬眠技術，整個居住模塊的直徑和高度要達到8—9米，體積達到前者的3倍，這將需要更多的能源消耗，新方案的優勢顯而易見。根據計劃，歐洲航天局希望能在未來20年實現載人冬眠火星探測，只是目前其宇航員冬眠探測火星方案還不成熟，還有一系列的技術問題需要克服。
▲ESA公佈的航天器冬眠居住模塊草圖（圖片來源 ESA）
▲整個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、儲藏、工作等9個系統隔間，能夠滿足6名宇航員需求（圖片來源 ESA）
▲冬眠模塊的橫截面顯示，在航天器飛行階段宇航員所在的艙將具有獨立的溫度控制系統，並帶有風扇以使空氣循環並控制溼度，以防止在冬眠期間溫度降低時發生冷凝。（圖片來源 ESA）
在美國，近些年位於亞特蘭大的SpaceWorks公司已經從美國國家航空航天局獲得兩輪資金研究宇航員冬眠的技術問題，SpaceWorks設計的冷凍休眠艙將使宇航員進入惰性麻木狀態，即短期的冷凍休眠狀態。在這個狀態下，宇航員的生理活動降低，通常表現在體溫降低、新陳代謝速度下降等。這將大大減少宇航員對外界物質的需求，進而大幅減少所攜帶的補給品。
為了讓過程可控，SpaceWorks公司已經開發了一個三級系統。第一步使用鎮定劑放緩肌肉，避免移動。第二步將人的體溫降低約5攝氏度，從而降低50-70%的細胞活性和代謝速率，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及外降溫。最後，通過靜脈滴注供給人類所必須的營養來維持生命。
在SpaceWorks公司的方案中，宇航員將在藥物誘發的低溫狀態下休眠14天，然後清醒2—3天換班，以滿足其他宇航員休眠需求。當宇航員處於冷凍休眠狀態時，身上將掛滿各種傳感器，以便於讓其他清醒的宇航員隨時監控他們的狀態。只是因為依舊面臨一些需要突破的難關，目前美國國家航空航天局還沒有具體讓讓宇航員冬眠去火星的具體時間表。
宇航員冬眠面臨多重技術難題
歐洲航天局和美國的宇航科技公司現在已經在宇航員冬眠去火星的設想上已經提出了方案，並解決了一些難題，攔在路上的重重技術障礙卻不可小覷。
首先，動物冬眠的機制還沒有完全搞清楚。長期以來，國內外也有不少科研人員深入研究動物的冬眠行為，雖然取得了很大的進展，但是截至目前，冬眠動物在漫長的演化道路上形成的冬眠行為的機制依舊沒有完全搞清楚。這意味著現在人類還無法通過技術手段實現和動物一樣的冬眠。
另外，我們都知道，有冬眠習慣的動物是通過恆溫喚醒的辦法從冬眠中甦醒過來的，也就是當春天來臨達到溫度足夠高之後，動物就會自己醒來。由於宇航員並沒有冬眠的習性，則需要設立一個喚醒宇航員的裝置。在演化的道路上，冬眠動物已經形成了十分輕鬆自如的冬眠和甦醒狀態的自動調節與轉換機制，但是人類並沒有形成這樣的機制。這些問題都是需要逾越的難關
隨著科學技術的推進，也許科學家們會獲得成功。這主要是人類存在冬眠中生存的可能性。
2006年10月，一個35歲叫打越三敬的日本人和辦公室同事一起出外燒烤時和同事走散，跌落到一處雪山上摔壞了屁股。之後陷入了冷凍昏迷狀態，他在雪山上睡了24天直到他的好像已無生氣的身體被救援人發現。發現他的時候，醫生確定他的新陳代謝幾乎處於停滯狀態。隨後他在神戶的一家醫院甦醒了過來。這次事件的出現讓科學界認為，只要找到了合適的方式，是能夠通過一些手段讓人冬眠並實現喚醒的。
▲航天員冬眠技術目前存在兩大瓶頸（圖片來源於網絡）
龐之浩說，宇航員冬眠實施的前提是將來必須要首先在地球上完成有關實驗，只有充分論證了可行性與安全性，才能夠予以實施，因此還不是短時間內能夠實現的事情。
好的消息是，美國近些年的研究表明，減緩新陳代謝有助於對抗肌肉萎縮（冬季不會失去肌肉）、骨質脫礦和宇航員在力環境中經歷的顱間壓力，甚至有一些證據表明它可以幫助防止輻射。
研製更快航天器也是可行之路
龐之浩表示，在未來人類登陸火星的方案選擇中，宇航員冬眠的方式並不一定就是最為理想的方案。因為就是冬眠技術能夠實現，由於旅途的時間和採用非冬眠的方式並沒有多大的變化，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，但還是會遭受長時間的太空輻射，肌肉萎縮，骨質流失等其他一些太空病也不能被予以風險排除。
另外，冬眠甚至還會讓宇航員增加一些新的身體機能方面的挑戰，因為宇航員在冬眠以後，長時間的非活動狀態也會造成肺炎等身體機能的嚴重傷害，人類長時間冬眠對內臟的影響也尚不為人所知。
因此除了冬眠，現在科學家們還在探索研製具有更快速度的核動力火箭和飛船。
▲核聚變供能火箭，能夠大幅縮短人類駕駛深空間飛行器往返火星的時間（圖片來自網絡）
龐之浩表示，常規火箭飛行速度為每小時2萬公里，而核動力火箭能達到8萬多公里，目前制約人類太空探索腳步的一個核心問題就是路途的時間，如果有了更快的運載工具，譬如去火星，單程的旅途能夠縮短到一兩個月，則就更方便了，宇航員的物資消耗、長時間太空輻射等問題得到解決，也就用不著通過冬眠的方式來解決問題。當然，核動力火箭和飛船現在也還需要一些技術難關需要跨越。
不過從長遠而言，宇航員實現無傷寒冬眠和喚醒是必須要突破的技術難題，因為只有突破這個難關，人類要探索更為遙遠的宇宙空間才有可能。
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
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