一直以來，火星都在人類的想象和文化中占據著中心位置。古人訝異于它的紅色，以及年復一年循著周期跌宕起伏的亮度。早期的望遠鏡觀測讓一些人猜想這顆星球被運河所覆蓋，而這些運河則是火星居民用于交通和貿易的通道。在《世界大戰》一書中，作者H.G. 威爾斯（H.G.Wells）設定了一個將會企圖征服地球的火星文明。在1938年，奧森·威爾士（Orson Welles）將威爾斯的小說改編為廣播劇，并驚嚇到了一群以為自己正在聽真實新聞的聽眾。
相較而言，火星和人類之間的真實故事就沒有那么浪漫，但其迷人之處并不減損分毫。望遠鏡的觀測將天上的明亮紅點變成了模糊而斑駁的碟形，使人們產生了火星上有運河存在的白日幻想。就在50年前，一架經過火星的航天器拍下了它的第一張照片，顯示火星擁有模糊的大氣層。現在，經過數十年的火星探索，人們發現火星曾經存在過開放水域——生命存在的基本要素。
1965年，水手四號拍到了人類首張近距離火星照片。圖片來源：NASA
即使在互聯網時代，人們對于火星的癡迷也并未消退。一個熱愛寫作本身，并樂于把自己的科幻小說發上博客的前程序員安迪·威爾（Andy Weir），將一位NASA宇航員擱淺在火星的故事寫成了連載。這個故事大受歡迎，最終，安迪·威爾將它改編為一部成功的小說——《火星救援》，其同名電影在2015年十月上映?！痘鹦蔷仍钒殃P于火星的想象和事實結合在了一起，將故事建立在NASA和其他組織為探索火星所做的共同努力上，并把時間推移至2030年——那時，NASA的宇航員會定期登上火星，并在火星表面上生活一段時間，進行探索工作。盡管小說的故事發生在20年后，NASA實際上已經擁有了電影中出現的許多技術。
居住艙 Habitat
在火星上，沃特尼（Watney）花了大量的時間呆在居住艙里，他遠離家園時的家。未來登陸火星的宇航員也將需要這樣的一個家，要不然，宇航員們就得穿著太空服、躺在塵土里度過他們的火星時間。
在《火星救援》中，一個人造的居住艙（Hab）對幫助人類探索火星是非常重要的。圖片來源：Twentieth Century Fox
NASA的人類探索研究模擬器（HERA）是一個模擬外太空居住艙的獨立空間。這個兩層樓的空間由生活區、工作區、衛生艙和一個模擬氣閘組成。在其中，測試對象們需要執行操作任務，完成負載目標，并共同生存14天（很快將計劃增加至60天），在孤立環境中模擬未來的任務。宇航員近期也在利用這一設施模擬國際空間站的任務。這些模擬提供了人為因素、行為健康以及處理應對方面的寶貴數據，有利于加深NASA對未來如何執行外太空探索任務的理解。
工作人員在位于NASA約翰遜航天中心的HERA執行任務。圖片來源：NASA
太空農場 Plant Farm
目前，國際空間站的宇航員可以從貨物補給飛船獲得足夠的食物，有些飛船還是商業公司提供的。但在火星，人們無法依靠地球補給獲得食物——即使是用最快的方式運送，也要花上至少九個月。如果人們想要在火星上生存，他們就需要持續的食物來源。因此，他們將需要自己來種植作物。
《火星救援》中的宇航員馬克·沃特尼在火星上種植土豆。圖片來源：Twentieth Century Fox
現實世界中，NASA宇航員謝爾·林德格倫（ Kjell Lindgren）正在國際空間站收割“素生”（Veggie）項目中種植的生菜。圖片來源：NASA
在《火星救援》中，沃特尼將他的居住艙變成了一個自給自足的農場，而土豆則成為了火星上的第一項主要農產品。而現在，在地球的近地軌道附近，生菜是最為充足的作物。在國際空間站有一套可應用的新鮮食品生產系統：“Veggie”。使用紅、藍和綠色光，Veggie項目能使植物長在“枕頭”上——含有介質和肥料，表層能進行毛細作用的小袋子，并能被宇航員收獲。在2014年，宇航員通過這個系統成功種植了“Outredgeous”紅色長葉萵苣，并在最近第一次品嘗了這種宇宙蔬菜。這是太空種植上重大的一步，同時，NASA也希望進一步擴展作物的數量和種類，以滿足未來登陸火星的宇航員的營養需求。
紅光照射下的“Outredgeous”紅色長葉萵苣，即將成為國際空間站宇航員們的美餐。圖片來源：NASA
水回收 Water Recovery
火星表層上沒有任何湖泊、河水或者海洋，如果從地球上運水過去則要花上九個月以上的時間?；鹦巧系挠詈絾T必須創建出自己的供水系統。因為戰神3號上的水回收裝置，宇宙飛船上的全體成員在火星上沒有浪費一滴水，而沃特尼則需要憑借自己的聰明才智，來保證自己在這顆紅色的星球上不至脫水，并且生存下來。在國際空間站上，沒有一滴汗水、眼淚甚至尿液會被浪費。
環境控制和維生系統會回收并循環使用從各種地方采集來的水：尿液、洗手水、口腔清潔時使用的水等等。通過水回收系統（WRS），水被回收、過濾，并重新被投入使用。一個宇航員曾這么說過：“昨天的咖啡就是今天的咖啡。”在太空中，液體的確會造成一些棘手的問題。水回收系統等相關系統必須考慮到，在微重力空間中液體的表現是非常不同的。比如，水回收系統處理尿液時必須使用離心機來進行蒸餾，因為在太空中，液體和氣體并不會像在地球上那樣分離。NASA沒有停止過研發水回收新技術的腳步。
目前，有研究正在試圖提升一次性多用過濾網（用于過濾無機污染物，以及不揮發的有機污染物）的性能，使之成為水回收系統中更具永久性的部件。鹵水回收過程則會從尿液蒸餾的“底料”中回收每一滴水。在未來的探索任務中，宇航員對來自地球的水和零部件補給的依賴將會減少。這項科技也被引進給了地球上的一些偏遠地區，或者遭受嚴重自然災害的地區，來為他們提供清潔的飲水。
氧氣生成 Oxygen Generation
水，食物，庇護所：它們是在地球生存的三項基本要素。然而，還有一個第四要素往往被我們忽視，因為在地球上，這種要素總是可以免費獲取——那就是氧氣。在火星上，沃特尼可沒法跑出門外，呼吸一口新鮮空氣。要想活下來，他無論去哪兒都必須隨身攜帶自己的氧氣補給。但首先，他得制造出自己的補給。在他的居住艙中，他用的是“氧合機”——一種用來自火星升空載具（MAV）的燃料制造機富集的二氧化碳來制造氧氣的工具。在國際空間站，宇航員們擁有氧氣生成系統，它對空間站內的空氣進行再處理，高效、可持續地為宇航員們不間斷提供可呼吸的空氣。這種裝置通過電解過程，將水分子中的氫原子和氧原子分離。其中，氧氣被釋放到空氣中，而氫氣則會被丟棄到宇宙中，或者被送入薩巴捷系統——一種從空間站大氣的副產品中提取水的系統。
火星宇航服 Mars Spacesuit
火星表面對于人類來說可并不怎么適宜。那里大氣溫度非常低，也幾乎沒有可以呼吸的空氣。在居住艙外的火星表面采集樣本、維護設施時，宇航員要想活下來，宇航服是必不可少的。
演員馬特·達蒙（Matt Damon）飾演的NASA宇航員馬克·沃特尼。圖片來源： Giles Keyte
NASA號召公眾為Z-2模型宇航服的三種外觀設計投票。圖片來源：NASA
在他度過的那些火星日（sol，也就是火星上的日出日落一周期）中，馬克·沃特尼經常穿著宇航服工作，他最后還需要在火星上長途旅行。因此他的宇航服應當是靈活、舒適而可靠的。現在，NASA正在研究可用于火星探索的宇航服技術。從穿越火星地貌到采集巖石樣本，設計工程師需要考慮到宇航員在火星上所需執行的一切任務。
Z-2和Prototype eXploration宇航服是NASA設計的新型宇航服樣本，它們運用了新技術解決了一些獨特的問題，日后，這些技術將會被用于首批登上火星的宇航員們所穿的宇航服上。
它們分別用于解決不同的技術缺口——也就是宇航服完成火星任務所缺失的功能。宇航服設計工程師在硬復合材料和纖維間進行權衡，尋找耐用性和靈活性的平衡。行走在火星中的一大挑戰是火星上的塵土。在火星表面行走后，火星的紅色土壤如果被帶入了宇宙飛船內，會對宇航員和艙內設施造成影響。為了應對這一問題，新宇航服的背后加上了宇航服接口（suitport）的設計，這樣，宇航員們就可以從艙內快速跳進宇航服，將宇航服留在艙外，從而使室內保持清潔。直接從艙內跳進室外宇航服的接口設計。圖片來源：Wikipedia
火星車 Rover
當人們降落到火星上之后，他們至少要在火星上呆上一年時間，以等待火星和地球運行到回程距離最近的位置。這一點給了宇航員們大量的時間進行實驗、探索周圍環境，然而，他們不會愿意把探索范圍限制在步行可及的區域內。因此，宇航員需要使用穩健、可靠、功能多樣的火星車，前往更遙遠的地方。在《火星救援》中，沃特尼開著他的火星車跑了好幾趟，他甚至還對他的火星車進行了一些不怎么正統的改裝，好讓自己生存下來。
電影中的火星車。圖片來源：Giles Keyte
NASA的多任務太空探索車（MMSEV）。圖片來源：NASA
今天，在地球上，NASA正在使用多任務太空探索車（MMSEV），為可能遇到的一切情況做準備。MMSEV已被用于NASA的模擬任務項目，以幫助解決NASA已經知曉的問題，發掘尚未發現的問題。這項技術的用途十分廣泛，可被用于支持未來探索小行星、火星、火星的衛星及其他類型的任務。目前，MMSEV已經為解決諸如行駛距離、快速進出和輻射保護等問題發揮了作用。為了保證探測器的機動性，一些版本的探測器裝備了6個轉向輪。這樣，即使有一個爆胎，只要向上收起出了問題的輪胎，火星車依舊可以正常運作。
火星車 Rover
《火星救援》中，在往返火星的旅途中，戰神3號上的宇航員們在赫爾墨斯號宇宙飛船上生活了幾個月的時間，使用離子引擎這種有效的推進方式，穿越了將近5億千米的空間。離子引擎的工作方式是向氬氣或者氙氣通電，以大約每小時35萬公里的高速釋放出離子。宇宙飛船受到的力像微風一般輕柔，但通過年復一年的持續加速，飛船最終可以達到驚人的速度。離子推進還允許飛船多次改變它的軌道，然后脫離軌道，奔向另一個遙遠的世界。
NASA設計的“新一代”（NEXT）離子引擎。圖片來源：NASA
這項技術使NASA今天的航天器，比如曙光號探測器，得以盡可能地減少燃料的消耗，并能夠完成一些瘋狂的軌道變換。曙光號目前已經完成了超過五年的持續加速，累計速度變化達到了每小時40000千米，超過了任何只靠自身推進系統推進的宇宙飛船。一路上，它完成了人類對矮行星灶神星以及小行星谷神星的第一次造訪。
太陽能電池板 Solar Panels
火星上沒有加油站，沒有發電廠，同時也幾乎沒有風能。對這顆紅色星球上的載人任務來說，太陽能能幫上宇航員們的大忙?！痘鹦蔷仍分?，赫爾墨斯號宇宙飛船使用了太陽能電池陣來發電，而馬克·沃特尼不得不采取一些非傳統的方式使用太陽能板，來維持自己的生存。
國際空間站上的太陽能電池板，背景中的星球是地球。圖片來源：NASA
在國際空間站，四套太陽能電池陣能夠產生84到124千瓦的電力——足夠向四十戶人家進行供電?？臻g站并不需要那么多的能量，但如果出了差錯，冗余能夠有助于降低風險?？臻g站的太陽能發電系統是非?？煽康模允着詈絾T在2000年登陸至今，空間站一直安全地向宇航員們提供著電力。NASA的獵戶座飛船——一艘將會帶著人們到達前所未有距離的飛船——也將會使用太陽能電池陣列來執行日后的任務。在陽光下時，電池陣列能收集能源，為船上的鋰離子電池充電。在沒有陽光的情況下——比如在月球背后運行時——仍然會有足夠的能量供獵戶座飛船運作。
NASA的新一代飛船獵戶座號。圖片來源：NASA
放射性同位素熱電發生器 RTG
40多年來，NASA已經安全地使用放射性同位素熱電發生器（RTGs），為包括阿波羅登月計劃在內的二十多個任務提供了電力。 “好奇號”火星車，以及即將升空的火星2020探測器等航天器使用的則是經過改進的新一代發電裝置。RTG是一種將钚-238的自然放射性衰變的熱量轉化為可靠電力的“太空電池”?！昂闷嫣枴鄙系腞TG產生的電力不超過110瓦特——僅僅略高于普通的燈泡所需的電力。在《火星救援》中，宇航員們把基于钚的RTG能源埋在離他們的居住艙很遠的地方，以防核泄漏發生。就像電影中所說的一樣，為了避免任何可能的泄露，钚-238本身就有幾層堅固而先進的材料，即使經歷了嚴重事故也不至于泄露。
RTG主要發出阿爾法射線，它只能在空中移動幾厘米，也并不會穿透衣服或者人類皮膚。只有當它被分解成微?；蛘舭l，并被吸入或攝入的時候才會對人類的健康產生危害。這種同位素是以陶瓷形式制造的，特別地是，它不溶于液體，因此，被吸入和攝入的可能性實際上是微乎其微的。在現實中，火星環境的自然輻射比RTG產生的輻射要大多了。從外太空落到火星上的電離輻射雨對人類的健康也更加有害。目前，NASA的火星任務也正在分析火星上的輻射環境，好讓任務規劃者為未來的宇航員設計保護措施。未來的探險家需要在到達火星之前，確保有可靠持久的能源保證他們的生存。電力系統可能包括由更有效的放射性同位素發電系統、太陽能、燃料電池和核裂變組成的一系列組合。
火星征程
載人航天是個危險的行當。NASA計劃在21世紀30年代將人類送上火星，但在這之前，要保證宇航員們安全地返回地球，還需要實現許多里程碑式的進步。斯考特·凱里（Scott Kelly），一位目前已經在國際空間站生活了一年的宇航員，完美地總結道：“太空是艱險的。對航天的每一層面來說，誤差幅度都幾乎接近于零。然而，在走向火星的征程中，我們得以更深入地理解宇宙；我們學到和帶回的所有一切，最終都將惠及全人類。”（編輯：Stellasun）
