登陸火星
我們目前還沒有能力將人類平安地、簡單地降落到火星。這是最近才被意識到的問題，在21世紀早期才通過計算得到理解。
隨著工程師開始建造不斷加大的機器來降落到火星表面，他們發覺達到了一個極限。稀薄的火星大氣層不能很快的撐開降落傘，例如在人類乘坐的飛船在降落時需要用來大幅減速的降落傘。但是大氣層僅足夠支持一個類似月球飛行器，它使用朝下的火箭，這種火箭在不産生足夠的反向氣流時不能成功著陸。
在2012年達到火星的重達1噸的好奇號是目前爲止我們的技術能夠降落到火星表面的最大物體。載人項目，據NASA表示，至少需要40噸重的物體。即使火星一號計劃中提出的單程載人火星項目也需要攜帶將近10噸的物資到達表面。
“降落好奇號就是降落一個小型的原子車，”工程師Bobby Braun說，他是前NASA首席技術專家、現左治亞理工學院教授。對于一個載人計劃，“我們意味著降落一個兩層的房子，還有另外一個兩層的房子，坐落在前一個的附近用來存儲燃料和補給。”
“這是個有趣的挑戰。”他補充到。雖然好奇號的著陸確實是個重大的成就。它在將來有一天使人類降落的項目面前也顯得小兒科。
像那樣大規模的降落物體需要新的技術，新的技術需要開發、優化、反複的測試來確保不會使宇航員犧牲。
圖片：SpaceX概念龍號飛船登陸火星，使用推進器來減速。
“我們我不想要爲人類著陸使用的一項技術是超高音速充氣系統”，這是一些巨大的類似氣球的物體，將展開並變硬辦成一個超剛性降落傘，用于幫助飛行器減速，但是在火星項目中將人類降落的關鍵技術是稱作超音速重推進的技術。
一架飛船以24000千米每小時的超高速達到火星大氣層。即使在降落傘或充氣減速後，它仍然會以高于音速的速度行駛。簡單地點燃火箭就像試圖點燃一根蠟燭，但是有人一直在吹蠟燭的撚子。一旦推進器啓動了，火焰也將處于一個極度變化的環境中，這是我們的技術從未掌控過的。
NASA曾經做個鳳洞實驗來觀察這一問題，曾在20實際60年代和70年代爲海盜著陸和最近多次觀察。好消息是實驗表明超音速的火箭是理論上可行的，壞消息是NASA不再研究這一項目了。
當NASA可能將會重新研究這一項目時，一些私人太空商業組織的成員可能超越他們。SpaceX 目前正在研究可重用的火箭技術，它可以從近地軌道撤回到發射基地。該公司在今年的後期也將研究超音速重推進技術，該技術可能會用到地球和火星項目中。
圖片：爲火星宇航員搭建的模擬棲息地應該比登陸火星以前任何以往的都要大。
保證宇航員健康
“太空對于發送複雜的、微妙變化的系統，並且可能是最複雜的系統的人類身體是個危險的地方。”健康專家Saralyn Mark說，她是負責NASA的健康和醫務的SolaMed解決方案的主席。
諷刺的是，地球上爲衆多生命提供能源的太陽，在太空旅行中對于生物而言是最致命的。
一旦處于我們星球保護性磁場之外，太陽的射線將在宇航員體內積累，增高他們獲得癌症的可能性。從NASA好奇號飛船中近期得到的數據已經幫助研究人員量化射線的等級和危險的程度。類似太陽耀斑和高能粒子的大量爆發將可能將潛在的致死計量的射線發射到太空船上。這就是爲什麽2018年的私人載人火星計劃，Inspiration Mars，選擇在太陽的弱活動年，屆時是太陽粒子風暴最弱的時期。即使如此，低的太陽粒子活動提高了從星系間發射來的射線的級別，這些射線也是危險的。
飛往火星的旅行大概要經曆7到9個月，在整個過程中人類都要被保護起來。目前，最可行的解決方法是用水圍繞太空船，水將吸收射線並提供太陽風暴下的一定遮擋。但是水的質量大，任何在項目中增加的重量都將增加費用。在未來，産生小型的能夠保護宇航員的磁場技術將被研發，但是這將可能是數十年以後才能完成了。
圖片:藝術家制作的從太空倉望向火星表面的概念場景。
除了射線，載人火星最大的挑戰是微重力，它奇特的醫學環境和隔離，將帶來一系列心理問題。
連續待在太空中的時長紀錄由具有先鋒意識的俄羅斯人保持，他在Mir空間站停留有一年或更久。“那相當超過我們的想象，”Richard S. Williams說，他是NASA的首席健康和醫療官員。“當想要去火星，對于一個雙程的旅行來說可能要達到30個月。”
據目前所知長期處于零重力狀態下骨骼和鈣質將發生降解、肌肉萎縮，並且最近發現還會産生視神經腫脹。如果不予以檢查治療，到達火星的宇航員可能已經很虛弱、骨質脆並且可能失明。
先進的藥物和常規的鍛煉對于長期的太空旅行似乎有幫助。NASA目前正在計劃著讓宇航員在國際空間站停留一年來更好的研究這些因素。
但是在去往火星的過程中將要面對的心理問題我們幾乎一點也不了解。對于國際空間站，地球與之的距離是近的，宇航員可以向下凝視著地球。但是火星項目中的宇航員沒有辦法放棄他們的任務，需要忍受很長時間才能與家人通信。
如今已有研究火星宇航員將面臨的問題的隔離實驗。在20世紀90年代，Biosphere-2實驗一次性讓7-8個人處于模擬環境中2年的時間。
“Biosphere-2中的實驗人員都表示心理問題是最大的問題。”Taber MacCallum說，他是Paragon太空發展的聯合創始人之一，也參與了Biosphere-2計劃。
最長的模擬火星旅行的實驗是火星500項目，它使6個人在密封的房間中待上500天，研究院觀察實驗的結果。參與這項實驗的人員變得無精打采和無聊。其中的一名變得很消沉。6名成員中只有兩名沒有什麽問題出現，只有一名保持著活躍和忙碌，沒有消極的表現。
一個火星的項目將要檢驗隔離人群忍受的極限。成員們可能需要經過長時間的觀察來確信他們身體上和心理上的健康。
靠土地爲生
火星具有嚴寒的溫度和幹旱的環境，這些讓它看來不是最好的紮營之地。但是在火星上，宇航員有豐富的資料可以用來利用。
NASA和其他太空機構將之成爲原位資源利用（ISRU），它意味著靠土地爲生。在宇航員到達之前，一架機器將被預先送至火星，它將從大氣中的二氧化碳提煉氧氣，從土壤中提取可分離的元素，用這些來制作原料或者火箭燃料。
近幾十年來發現，火星有很多凝固成冰態的水。在某些地方的土壤有含有足夠的冰晶，機器人可以輕易的攢起一堆。
“之前的火星項目認爲我們不得不搜集所有的水，”太空物理學家 Jim Green說，他是行星探索部門NASA的領導者，“現在我們說，只從中取一點點就行了。”
圖片：藝術家制作的原位資源利用的概念圖，機器人正在搜集火星材料。
雖然經常被討論，但是ISRU技術從未被開發過。NASA需要聲明在依靠外行星生存是可行的。
人類登陸火星項目也需要植物種植能力。乍一看，在火星上種植的想法是合理的想法。宇航員需要新鮮的水果和能夠使他們擺脫不得不食用速凍食物的農場。
但是在另一個星球上種植是冒險的。“沒人想要宇航員依賴他們自己生産的食物生存，” Taber MacCallum說，他是Paragon太空發展的聯合創始人之一。這一項目用于發展太空生命支援系統。“植物是很挑剔的，如果宇航員犯下一個小錯誤，他們可能全部都會死。”他說。
考慮一下可以從種植中獲取的食物的數量和爲之投入的能量，再考慮一下溫度控制和其他必需的系統和技術。MacCallum估計需要在火星上消耗15-20年的時間連續的經營，我們才能從農業系統中得到與投入相當的産出。
圖片：只有長期的火星機器才會考慮種植大量的自己的食物。
保護自己和星球
地球是我們目前知道的唯一具有生物的地方。但是那並不意味著太空中不存在其他物種。
由于存在外星物種的可能性，NASA和其他研究航天的國家一致同意遵守嚴格的星球保護標准。當阿波羅11號中的宇航員從月球返回，NASA將他們隔離了三周來確保他們沒有攜帶可怕可能摧毀人類的太空病毒。這樣的步驟知道阿波羅14號還在重複執行，這時科學家們才確信從月球返回是沒有危害的。
月球是沒有有害細菌的。火星卻是另外一個環境。證據表明火星可能曾經具有孕育生命的能力。在火星上仍有活著的生物的可能性很小但不爲0，這些可能的生物可能是有毒的。
伴隨著被火星上的微生物損害我們人類的可能性，我們也盡量避免另一種情況的發生。人類帶著自身的生物群落和真菌（人體的每個細胞包含10個微生物細胞），而目前我們不能阻止人類的到來汙染到火星。未來的技術我們將提升我們的能力來保護我們免受火星的危險影響，也使火星免受人類的危險影響。
爲了遵守嚴格的行星保護協議，也許最好的方法是在火星表面上執行一些無人的探索計劃。人類可以在近地軌道或火星的衛星上紮營，遠程實時控制火星表面的機器人。這些機器人將檢查火星表面來獲取生物存在的證據，並且可能發現更安全的著陸點。未來的技術也將防止在宇航員降落時帶來的人類的汙染。
圖片：尼克松總統當阿波羅11號的宇航員從月球返回後處于隔離室時訪問了他們。治理沙塵
“在火星表面的第一問題是沙塵，”Grant Anderson說，Paragon太空發展的首席工程師。Paragon太空發展目的在于在太空建造生命支援系統。
幹旱的火星環境制作了大量微小的沙塵，這些沙塵數十億年圍繞著火星表面飛揚。這種現象不同與我們在地球上的任何一種現象。
我們唯一遇到過的類似情形是在阿波羅項目中在月球上遭遇的月球沙塵。鋒利、粗大的月球土壤可以堵塞機械並且損害其基本的功能。
“我們花費了1700萬美元來解決沙塵問題，但是沒有一項試驗是成功的，”Anderson說，“John Young[阿波羅16號的指揮官曾經在月球上用豬毛刷來刷發熱板，但不管用。”
對于生活在火星表面的人類來說，就像生活在巨大的鹽地。沙塵是具有腐蝕性的，宇航員的工具需要非常的堅硬。在阿波羅17號時，宇航員Harrison Schmitt丟棄了他的地質錘，因爲錘子的柄僅僅3天就被腐蝕掉了。
在火星上盡量使宇航員不暴露在沙塵的環境的中是更加重要的，因爲火星上的沙子被認爲是有毒的。雖然這一點我們所知甚少，但是好奇號和前一個項目，火星鳳凰登陸，證明了火星的土壤富含一種稱作高氯酸鹽的化學物質。這些物質是高度氯化的鹽，可能引起人類甲狀腺的疾病。這一點沒有明確的被認可，但地球供水系統中，研究員已經將高氯酸鹽列爲緊急高度關注的化學物質。
火星上的灰塵也可能包含致癌物質，可能使人類産生類似阿波羅宇航員患的月球花粉症的過敏反應或肺部疾病。載人火星計劃需要了解火星將如何與人類棲息地的濕度相互作用，或者它是否可能像堿液或洗衣劑一樣傷害人類的皮膚。
好奇號正采集的數據幫助科學家了解火星上的沙塵給人類健康帶來傷害的程度。但是“先導的實驗應該是研究沙塵將怎樣使人致死，”Anderson說。他的公司已經研發了相關的技術保證宇航員不與沙塵接觸，但仍需要更多的擴展實驗來證明該項技術是有效的。
圖片：NASA的勇氣號火星車經過在火星表面三年時間被覆蓋了很多塵土，甚至在圖片中都已經看不見它了。制定計劃
在整個宏偉的計劃中，技術上的挑戰是簡單的。關于載人火星項目的社會、政治方面的影響才是最艱難的。
目前，許多不同的計劃産生著。NASA有設計參考白皮書（.pdf）。SpaceX 和 Inspiration Mars也各自具有計劃。其他太空機構也在考慮自己的想法。在不管怎樣，這些中的一個將被選定爲最終的計劃。
沒有人確切的知道載人項目將花費多少，但估計將花費數百甚至數千億美元。考慮到通貨膨脹，每個阿波羅計劃大概花費了180億美元，而火星項目將是一系列難度更大的項目的組合。看上去這樣大規模的項目應該有國際間的合作來完成。那需要在參與國中通過正式承諾的方式制定好一切事務。唯一類似的太空項目，建造國際空間站，參與國最終決定合作需要大約五年的時間。
計劃必須也具有一定的靈活性。世界是複雜的，常年的任務需要處理諸如政治變遷和經濟衰退等的影響。
“我們都期待著太空中出現美麗的機器，“Sam Scimemi說，NASA國際空間站的領導者：就像斯坦利庫布裏克2001年的雄偉的輪式空間站
“我們從國際空間站中獲得的並不像巨大的旋轉的輪子一樣美麗性感，”Scimemi說，”而是它爲政治、預算和科技提供的能力。在夢想的終點，這才是我們建造的東西。“
有許多人希望有一個新的太空競賽才促使美國實行火星項目。但是未來是未知的，具有特殊性、唯一性的阿波羅計劃不能被複制。
當然還有在之前的太空時代不存在的新的太空玩家。一些私有的公司也將目光投向火星計劃，特別是Inspiration Mars和SpaceX。可能很多的人認爲商業公司應該獨自執行該計劃。
“但根據現有的技術水平，政府將仍是主導，”喬治華盛頓大學的太空政治管家Scott Pace說，“人類的太空探索被理想和希望激發了，但是它必須與事實和分析相結合。幻想不能帶人去太空。”
Pace指出了使國家聯合起來完成一個類似載人火星計劃一樣宏偉計劃的最好方法。
“項目最終的結果將是個象征，先進技術的代表、熱情和價值。”他說，“美國將不會在沒有國際夥伴的情況在離開近地軌道。阿波羅計劃不會在發生了。我認爲我們的夥伴願意和我們一起去月球和火星，但是我不認爲他們將在沒有我們參加的情況下獨自前往。”