摘要:所以你想殖民火星,是吗?好吧,火星是一个很非常遥远的地方,为了让一个殖民地在远离地球的支持下运行,必须仔细考虑。包括需要多少人才能成功。(全文约2936字,阅读大概需要10分钟。)

艺术家对火星殖民的想象图(NASA)

所以你想殖民火星,是吗?好吧,火星是一个很非常遥远的地方,为了让一个殖民地在远离地球的支持下运行,必须仔细考虑。包括需要多少人才能成功。

一项新的研究表明,定居者的最低人数为110人。

这项新的研究课题名为“在另一个星球上生存的最小定居者人数”,作者是波尔多国家理工学院的教授让·马克·萨洛蒂。他的论文发表在《科学报告》上。

显然,在另一个星球上有任何形式的持续存在需要考虑很多。人们将如何组织自己?他们会带什么设备?他们将如何提取现场资源?需要什么样的技能?

当然,这些问题之前已经被解决过,在这份报告中,萨洛蒂说:“人们提出了使用原位资源和不同的社会组织,但对问题的变量仍然缺乏了解。”

这项研究主要集中在一个问题上:需要多少人?萨洛蒂写道:“我在这里展示了一个数学模型,可以用来确定定居者的最少数量和在另一个星球上生存的生活方式,以火星为例。

在火星上殖民已经有很多想法了。SpaceX公司说,他们计划中的星际飞船可以搭载100人前往火星。埃隆·马斯克曾说过要建立一支由它们组成的舰队,这样就有源源不断的资源流向火星。但这现实吗?

“然而,”萨洛蒂写道,“这是对能力的乐观估计,可重用性的可行性仍然不确定,登陆火星和从火星重新发射飞行器可能非常困难,需要几十年的时间。”

类似的讨论和观点也在火星殖民地讨论的其他环节交流过。例如,许多研究人员考虑过就地资源利用。气体可以从大气中提取,矿物质可以从土壤中提取。原位资源提取可以提供有机化合物,铁,甚至玻璃。

萨洛蒂写道,即使我们承认这些想法的可行性,“人们对实施的复杂性知之甚少,每年需要解决的问题数量多到让你觉得这是一个不可能完成的挑战。”。

殖民地问题复杂得让人头秃。

火星殖民地的插图。(NASA)

萨洛蒂研究了一个数学模型,他认为这个模型可以作为思考自我维持的殖民地的良好起点。

他的想法的核心是他所说的共享因子,“如果活动涉及到一个可以由多个个体共享的对象的构造,那么这个因子可以在一定程度上减少每个个体的时间需求。”

定居点的起点对其余工作至关重要。会有哪些资源?如果一开始有大量的资源和技术工具,这将影响到其余的计算。但在某些方面,起点可能不是那么关键,有两个因素。星际旅行的复杂性、费用和可行性就是其中之一。定居者开始使用的设备的寿命是另一个。每件设备都有一个生命周期。

“为了简单起见,”萨洛蒂写道,“这里假设从地球上运送来的资源和工具的初始数量将相当有限,因此不会对生存产生太大影响。”本质上,建立一个依赖于地球轻松补给的模型并没有多大帮助。

因此,假设殖民地的初始状态是可行的,萨洛蒂将转向两个变量,这将对生存产生巨大影响:

当地资源的可用性。基本上,这意味着水、氧气和化学元素。这些资源必须易于开采。

生产能力。把它看作是必须生产的东西的清单,比如工具,以及在适当的时间框架内是否能生产出足够多的工具。

萨洛蒂要做的是一个等式。资源可用性和生产能力是这个等式中的变量。

但萨洛蒂的想法总是回到“分享因素”的概念。

想象一下一个孤立的个体在火星上殖民。他们必须自己完成所有的任务。他们需要建立和维护自己的系统来获取饮用水、氧气和发电。每天都没有足够的时间。一个人的负担将是巨大的。

但在一个更大的殖民地,他们的技术,如获得饮用水,氧气和发电,被更多的人使用。这创造了更多的需求,但也分散了负担。

建立和维护所有这些系统所需的努力现在已经在更多的人中展开。本质上,这是萨洛蒂的分享因素。

会好起来的。

随着人数的增加,有更多的专业化空间。想象一下一个只有10个人的殖民地。他们中有多少人需要能够维修和维护饮用水系统?还是氧气系统?

这些系统不能被允许出现故障,因此将有很大一部分人面临压力,要求他们能够操作和理解这些系统。

萨洛蒂写道:“如果每个定居者都是完全孤立的,不可能共享,那么每个人都必须完成所有的活动,总的时间需求将通过乘以个人数量得到。”

但是如果有一百个人,有多少人需要了解这些系统?不是所有人。这样就可以让其他人专攻别的东西。

“更多的个人使得通过专业化提高效率成为可能,并使其他行业能够使用更有效的工具。”

萨洛蒂认为,这个共享因子可以计算,并估计不同的数学函数。对数学感兴趣的人可以自己检查这部分论文。

(Salotti, Scientific Reports, 2020)

上图:研究数据显示,如果初始人数大于110人,则年工作时间能力大于年度工作时间需求。

当然,共享因素有一些限制和起点。“共享因素取决于需求、过程、资源和环境条件,这可能因地球而异”,萨洛蒂写道。

这就引出了萨洛蒂对“生存域”的描述。萨洛蒂概述了在这些计算中需要考虑的五个域:

  • 生态系统管理
  • 能源生产
  • 行业
  • 建筑
  • 人为因素/社会活动

这些基本上是不言自明的,但人的因素指的是诸如抚养和教育孩子,以及一些文化活动,如体育,游戏和音乐。

需要考虑的五个生存域。(Salotti, Scientific Reports, 2020)

现在萨洛蒂转向火星,火星是这种未来主义的主要行星,也是萨洛蒂在他的论文中提到的行星。

萨洛蒂不是从零开始研究火星的。在那个星球上建立一个持续的人类存在已经有很多科学的想法。

萨洛蒂解释说:“火星资源在维持生命、农业和工业生产方面的具体利用已经在不同的领域进行了研究,并发表在报告和书籍中。”。

很明显,这是一个复杂的问题,为了思考这个问题,必须做出一些假设。任何解决方案要有价值,这些假设必须是实际可行的。这里没有科幻小说的地方。

萨洛蒂使用的基本假设是,无论出于什么原因,来自地球的补给流已经中断,殖民地必须维持自己的生存。

他借用了火星协会组织的一个竞赛场景,参与者被要求定义一个设置火星的真实场景。

一人(左)和110人(右)的工作时间要求。(Salotti, Scientific Reports, 2020)

基本上,萨洛蒂的方程式可以归结为时间。生存所需时间与可用时间之比。对于萨洛蒂来说,在火星上平衡时间方程式所需的有效人数是110人。

他在结论中写道:“这是基于满足生存需要所需的工作时间与个人工作时间能力的比较”。

自然地,这种性质的工作会做出一些假设,并在本文中加以阐述。

“这显然是一个粗略的估计,有许多假设和不确定性,”他写道。但这并没有削弱它的作用。

如果将来某个时候火星上真的会有人类聚居地,那么我们就需要开发工作模型来指导我们的思考和规划。我们有很多科幻小说的话题,以及在Twitter上拥有大量粉丝的人的华丽声明,但那不是真正的工作。

萨洛蒂说:“据我们所知,这仍然是第一次基于工程限制对存活个体的最小数量进行定量评估。”。

他总结道:“我们的方法允许简单的比较,为最佳生存策略和最佳成功之地展开了辩论”。

让辩论开始吧。

本文最初由《今日宇宙》发表。

本文译自 sciencealert,由译者 Lancelot 基于创作共用协议(BY-NC)发布。