在太空中居住会是什么样子?

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2022-3-27 14:08:14
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“天宫课堂”再次开讲,天宫号空间站上的三名宇航员王亚平、翟志刚、叶光富在太空中展示了很多地球上不可能实现的实验,比如在太空,水油能彼此相融,液体能够因为表面张力的作用搭起小桥等等,知识点满满。



曾几何时,探索太空被视为一项不可能完成的任务。而随着20世纪六七十年代的第一次探月浪潮,阿波罗登月成为巅峰之作,21世纪后的第二次探月浪潮,中国的嫦娥工程完美赴月,未来,也许人们将到另一个星球上生活,彻底颠覆地球上的生活模式。NASA戈达德太空飞行中心资深作家克里斯托弗·万杰以科学为基础“大开脑洞”,设想了人类进入太空生活的细节,也许,未来的你将通过火星高速公路去往红色星球,探索如何在火星上生存;也许,未来的你能够在月球上经营旅馆,打造月球迪士尼乐园;也许,未来的你能够在小行星采矿,从而成为亿万富豪......

在完成以上这些壮举之前,就先让我们大胆而又谨慎地到那些没人去过的地方,考察一下“实地情况”。

第一站 月球

月球的表面积约为1450万平方英里(3800万平方千米)。虽然这只是地球的8%,但它的大小仍然和亚洲差不多(就称它为第八大洲吧)。没有人拥有月球,根据《外层空间条约》(正式名称为《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内的外层空间活动的原则条约》)的规定,月球不属于任何人,而且不允许任何人拥有月球。更具体地说,条约规定,“外层空间,包括月球和其他天体,不受国家主权要求以及使用或占领或任何其他手段的支配”。

月球只有非常稀薄的大气层,大约是地球的十万亿分之一,基本相当于真空。几乎可以忽略不计的大气层和近乎不存在的磁层意味着致命的辐射整天整夜轰炸着月球表面。因此,任何月球基地,无论位于哪里,都必须建在地下,或者上面覆盖超过两米的月球土壤,以阻挡辐射进入人体。



艺术家想象的ESA计划中的月球基地

月球上的科学基地和营地一开始会很简陋,与南极的类似,只能容纳4~8人。我们需要进口所有维持生命的资源:空气、水、食物和温暖。随着越来越多的国家和公司对月球房地产感兴趣,这些基地将不断扩大,按照国别相对聚居。庇护所绝大多数都在地下,有点像核潜艇——的确,在太阳能变得可靠之前,用核燃料供电的可能性非常大。就像南极一样,旅游业也将紧随其后。

为酒店建造一个大型穹顶将是一项具有挑战性的月球工程壮举。一个更合理的方法是建造一个大小适中的地下旅馆,里面留有几个观赏圆顶,你可以每次在圆顶里待上几小时,暴露在少量的辐射中。对游客来说,从月球上看风景是它的三大基本魅力之一。另外两个魅力是低重力和历史遗迹。但排在第一的,肯定是景观。月球上真正美丽的可能是地球。它呈一个巨大的球体出现在天空中,大小是我们从地球上看到的太阳或月球的6倍。从月球上看,地球在一个月的时间里会有盈亏变化,从酒店的观景台上可以看到漩涡状 的云团和大风暴。这种景色令人惊叹,很难限制自己待在玻璃下的时间。无论白天黑夜,地球都是可见的。与过去或未来的任何“殖民地”相比,这里的景色独一无二——如果你在月球的正面,就能永远直接看到故国土地的景象。



从绕月球飞行的阿波罗8号上看到的地球升起

第二站 火星

火星是令每个人都感到兴奋的存在,这有着充分的理由。如果21世纪人类能在太阳系中除地球以外的任何一个自然天体上永久定居,就一定是这颗红色的星球。在火星生活,至少就短期而言,如果计划得当,应该不会十分困难。温度不会成为一个引人注目的问题。当然,火星会很冷,但仍在人类可以理解和体验的范围之内。辐射暴露并非无关紧要。火星没有磁层,只有稀薄的大气层,因此对宇宙和太阳辐射几乎没有防护作用。宇宙射线来自四面八方,但火星本身阻挡了宇宙射线射向其另一边,所以与宇航员乘坐飞船前往火星时相比,宇宙射线暴露量基本减少了一半。火星大气层也可以提供一些保护。火星上稀薄的空气意味着人类需要一套加压服才能在火星上行走。火星表面的平均气压为6毫巴,在高原和高山地区还要更低。在地球上,海平面高度的气压约为1000毫巴。即使在珠穆朗玛峰,气压也仍有340毫巴。但是在6毫巴的时候,由于液体会在几秒钟内变成气态,你的血液会“沸腾”。因此,在火星上,无论温度如何,你永远都无法自由行走——永远也不可能赤身裸体待在户外,永远感受不到真正的风吹在你的脸上——直到将火星彻底地球化的目标得以实现,将压力提高到至少300毫巴。在遥远的那一天到来之前,只能用笨拙的宇航服来保护你。



火星

第一批宇航员的火星庇护所将预先在地球上建好,在人类登陆火星之前或者作为登陆飞船的一部分送往火星。如果有足够多的栖息地在火星上着陆,很快就会形成一个与南极科考站相媲美的村落。辅助庇护所可以是轻便的、可充气的结构,上面覆盖着火星土壤,用作辐射防护,就像月球上的设计一样。NASA有一种叫作“冰屋”(Ice Home)的火星庇护所原型。这是一种巨大的圆顶形充气结构,足够容纳4名宇航员,还有图书馆和种植室等奢侈设施。“冰”是指庇护所墙内和顶部有几米厚的冰和水,既保温又防辐射。

在人类登陆火星初期,宇航员在火星上将只待一年左右,所以与火星永久定居者相比,长期辐射防护对他们来说并没有那么重要。如果长期居住则需要大部分时间住在地下或熔岩洞内。由于辐射的缘故,火星表面是不毛之地。除非在材料科学上取得突破,否则就没有切实可行的办法为整个社区提供辐射防护。只有将城镇建在地下,或者覆盖上大量的东西。对于大规模长期居住来说,最实用的材料是泥土或土壤。水是非常有用的,这也正是NASA考虑建造冰屋的原因。土壤保护层太厚,需要更薄的物质进行辐射防护。但是火星上的水可能太珍贵,不能用于大规模长期栖息地的防护,至少一开始是这样。剩下的就是到处都是的土壤了。要达到地球大气层的保护程度,一个庇护所上至少需要覆盖5米厚的土壤。



艺术家描绘的火星冰屋概念

庇护所一旦挖好,就需要加压(并且要一直保持下去!),这样一来,挖好的庇护所内部所使用的材料应该是耐用的、可充气的东西。这些材料要从地球送到火星定居者那里,直到他们有了制造塑料和开采金属的基础设施。庇护所也可以用土壤制成的砖来建造,但它们需要以某种独特的方式上釉,以免漏气和失压。鉴于这些困难,火星上的第一个村庄可能会集中在有洞穴或熔岩洞的地方。在那里,洞已经为我们挖好了。定居者只需要在这些洞里建立他们的加压栖息地即可。和月球一样,火星上的熔岩洞也很常见,且有些熔岩洞很大,足以容纳整座城市。

第三站 水星

你知道当你在炎热的海滩上行走时,你的脚要不停地移动才不会被灼伤吗?这就是水星上的情况。要么移动,要么被融化。在水星上,你不能保持静止。

水星几乎和金星一样热。但不同的是,在夜间,它可以下降到-170℃。所以,水星的平均温度要低得多。原因是它跟月球一样,没有大气层保持热量,并让热量循环起来。水星也有永久处在阴影里的环形山。这些环形山是太阳系中最冷的区域之一。事实上,水星在大小和地形上都很像月球,布满了撞击留下的环形山。我提到过,月球上可以忍受的时间是黎明和黄昏那几天,因为那时的温度介于极度寒冷和极度炎热之间。类似的情况也适用于水星。水星自转相当缓慢,一天就是175个地球日。事实上,它的太阳日要比它的太阳年长,后者是88个地球日。结果,出现了一种近乎永恒的日落现象,水星的晨昏线——白天和黑夜的分界线以3.5千米/小时的速度移动。在地球上,晨昏线以1600千米/小时的速度移动。你要坐在喷气式飞机上才能体验到永恒的日落。在水星上你就可以体验到这一点,而且晨昏线附近有舒适的温度,用一辆绕着水星缓慢移动的火车就可以实现。

人类只要把栖息地建在向西运行的轨道上,就可以一直处在凉爽地带。从理论上来说,探索者可以在水星的这些区域行走,前提和月球上一样,要有压力和氧气供应。否则,他们只能生活在地下,最好靠近处在阴影里的环形山,因为那里可能有水,并且只能在当地漫长的黎明或黄昏时分出来探索。和在炎热的海滩上一样,我们可以建造巨大的反光伞来遮挡阳光。水星上的一个特征就是会看到太阳暂时向后移动。这是一种视错觉,因为水星和太阳都没有反向运动。但是水星绕太阳公转的速度比其自转速度要快得多,因此水星上的访客会看到太阳升到中途,然后向相反方向运动,回到它升起的位置,然后再升起——每天两次日出。

我们称水星为岩石行星,就像地球、金星和火星一样,但把它归类为金属行星也许更适合:大约70%的金属(主要是铁和镍)和30%的硅酸盐物质。事实上,由于拥有大量金属,水星的密度非常大。尽管它只比月球稍大一点,但其重力却和火星重力一样,为0.38G。目前,我也不知道会有什么人想住在水星上。是的,水星上存在着类似于火星的重力,这可能适合生命存在,但代价是要生活在地下或生活在缓慢移动的城市列车中,探索和享受环境的能力有限。就此而言,生活在火星会更容易,也没那么危险。水星确实有一个中等大小的磁场可以阻挡一部分太阳辐射,但辐射水平仍然可以致命。水星上有无限的太阳能来为重工业提供动力,人们可以想象在那里进行采矿作业。但开采小行星会更容易,也更接近潜在市场。水星也很难着陆和离开。这颗行星的移动速度非常快,调整到精确的Δv不仅需要大量的燃料,还需要高超的技巧。即使偏差只有一根头发丝,你也会跌入太阳。

水星地球化似乎也不可能,因为根本就没有大气层;所有的挥发性物质都需要从外太阳系输入;如果没有某种能覆盖整个水星的隔热罩,那你建立起来的任何防护都有可能被太阳风摧毁。一种解决方案可能是通过定向的、核聚变能量的爆炸,将整个水星从太阳旁边移开。只有当我们真的、真的、真的特别需要金属或土地时,才会投资这样的事业。