“气凝胶”有望改造火星环境甚至可以让生命在那里发展

长期以来，改变火星环境以支持生命一直是科幻小说的梦想。目前的火星太冷了，无法支撑生命。它的大气也太稀薄，无法保护任何生物体免受有害辐射。但是一项新的研究表明，使用一英寸的“ 气凝胶 ” 可以改变火星局部环境条件。这是一种合成超轻材料，通过凝胶和用气体制成。

发表在《自然天文学》上的一篇论文声称，该技术可以在火星上产生可居住的区域，并且由于光合作用，植物可以将阳光转化为能量，可能使生命得以发育和繁荣。

情况确实如此吗？如果是这样，我们应该这样做吗？

大约38亿年前，当生命在地球上开始时，火星上的条件是适宜居住的。当时的火星表面有水，蓝天白云和火山活动提供了水循环的一部分。我们从火星探测任务中了解到这一切，这些任务已经在火星地面上发现了干涸的水道。与此同时，机遇号和好奇号探测器已经证明这些特征是由于水形成的。

在38亿年前，磁场还保护火星免受有害太空辐射。火研究人员在古老的火星南部高地发现了地壳磁场。这些是古代火星磁场中唯一的遗骸，类似于现在的地球磁场。

然而，这些可居住的条件在38亿年前发生了改变。磁场消失了，科学家目前认为这是由于火星比地球更快地从其地层中遗失了热量，这可能是由于在火星上形成海拉斯盆地的大碰撞而增强的。数十亿年没有受到磁场的保护，火星的大气已被清除到太空。有些水流失了，有些水流入地下，水仍然存在于火星永久冻土和地下“湖泊”。

如我们所知，火星表面现在对生命不利。稀薄的二氧化碳，不到地球大气压的1％，这意味着火星表面包括来自太阳和银河系的高通量的有害辐射。火星表面环境也很冷：白天0-10°C，晚上低于-100°C。

但是，生命本来可以在火星上繁荣 - 甚至在今天存在这种可能性。

欧洲航天局将于2020年发射Rosalind Franklin（ExoMars 2020）漫游车，我们将在火星表面下钻探两米，以寻找古老生活的迹象。这超出了机遇号和好奇号钻机所能达到的目标，并且提供了寻找生物标志物和生命证据的最佳机会。此外，返回任务可以带回美国宇航局火星2020号火星车搜集的岩石。

通过这些任务，我们或许能够回答人类在宇宙中是否独自存在的古老问题。

气凝胶是由气体取代液体在凝胶中的位置制造而成。它有许多俗名：冻结的烟雾（frozen smoke），固态的烟雾（solid smoke），固态的空气（solid air）和蓝烟（blue smoke）等，而这些都源自于其透明性与物质中的光线散射能力。

气凝胶借由超临界干燥法将凝胶里头的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢的被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。世界上第一个气凝胶体的主要成分是硅胶。随后又造出了以铝、铬、氧化锡为基础物质的凝胶。第一个碳凝胶体则在1980年代末期以后才被开发出来。

气凝胶物质极轻，其密度大约为3mg/cm 3，仅仅为空气的三倍重。尽管气凝胶里有个胶字，但它其实是坚硬而干燥的物质，就其物理性质与胶体一点也不类似。被称为胶是由于它的制造过程提取于凝胶。提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下并不会留下痕迹；如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷；而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。

虽然它具有破碎的倾向，但是以结构来说它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力是源于其分子的组成：大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元，进而组合成树突状的微观立体结构。这些小单元会形成分形链状的三维结构，其间充塞著大量的孔洞，每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。

气凝胶是优良的热绝缘体，气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式（热传导、热对流、热辐射）中的两种带来的热量转移。凝胶中空气的成分比例至少占99.8%以上，而空气为热的不良导体，故它们是好的热传导隔绝材料。

最近有证据表明，火星上的碳库存不足以实现这一目标。这项新的研究提出了一种不同的方法：火星的较小区域可以被薄的（2-3厘米）气凝胶覆盖，通过锁定热量来提供温室效应。通过实验室实验，研究人员证明，这可以将火星表面温度提高50°C。然后，研究人员使用了火星的气候模型来确认凝胶能够使其下方的几米深的水保持液体状态。它还可以通过吸收紫外波长的辐射来保护火星表面免受有害辐射，同时仍然允许足够的光进行光合作用。

这有望产生一个适宜居住的地区，甚至可用来种植一些植物来为最终的人类探索提供动力。

这个想法当然很有趣，并且根据实验可能是合理的。但它忽略了影响火星宇宙辐射生命的另一个关键问题。所提出的材料二氧化硅气凝胶由于其低密度有时被称为“冷冻烟雾”。但由于密度如此之低，比紫外线更高能量的宇宙辐射几乎可以毫发无损地穿过它。没有磁保护，这种辐射威胁到火星表面的任何生命。

火星是离我们人类最近的星球。人为地改变环境会威胁到大自然的“实验”之一，这些实验已经有数十亿年的历史。我们竭尽全力按照国际规则保持火星探测的任务的洁净，这样我们就不会打扰任何过去甚至现在的火星。如果我们确实继续进行探测并在火星上发现生物，那么很难知道这些是天然的火星微生物还是仅仅是来自地球的污染物。

像这样的大规模试验会对原始环境产生如此大的影响，以至于我们最好不要这样做。