上映于1975年的《太空：1999》中，太空月球基地“阿爾法”激發(fā)了人們對(duì)未來太空探索的無限遐想。2010年，美國(guó)航天局（NASA）發(fā)行了一款以月球基地為背景的游戲《月球基地阿爾法》。這之后，埃隆·馬斯克（ElonMusk）也曾提出建立月球基地“阿爾法”的宏偉計(jì)劃。對(duì)于人類而言，阿爾法基地也許意味著人類對(duì)太空定居的美好期望。
那么，我們可以前往月球阿爾法基地和更遠(yuǎn)的地方定居嗎？
以下內(nèi)容選自《未來漫游指南：昨日科技與人類未來》，已獲得出版社授權(quán)刊發(fā)。
《未來漫游指南：昨日科技與人類未來》，[美]史蒂文·諾韋拉 [美]鮑勃·諾韋拉 [美]杰伊·諾韋拉 著，別盡秋 譯，中科書院丨中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社2024年11月版。
由于人類是在地球上進(jìn)化而來的，所以我們已經(jīng)高度適應(yīng)了這個(gè)環(huán)境——有一個(gè)薄薄的氣體外殼包圍著我們的星球，溫度和壓力變化范圍很窄，不受輻射的影響，大氣中有足夠的氧氣，無過多的二氧化碳或其他有毒氣體，濕度適中。我們現(xiàn)已進(jìn)化到能在太陽發(fā)出的光線下看見事物，并能夠食用有機(jī)物，而我們亦是有機(jī)物的一部分。
離開這個(gè)小小的似繭蛹一般的保護(hù)層，我們無法存活太久。即使在地球上，我們也無法在某些地方無限期地生存下去。沙漠的環(huán)境太熱太干，兩極又過冷，最高山脈上的空氣太稀薄，所以我們通常待在自己的舒適區(qū)，穿著衣服，甚至住在由環(huán)境控制的房屋里，以保持真正的舒適。
相比之下，已知宇宙的其余部分則是一片致命的地獄。事實(shí)上，據(jù)我們目前所知，在沒有防護(hù)太空服或封閉棲息地的情況下，人類無法在其他地方生存。盡管常見的科幻小說認(rèn)為，太空旅行者可以在大多數(shù)行星上著陸，并且環(huán)境相對(duì)舒適，但很可能只有極小一部分“類地”行星真正適合人類居住。畢竟，變量太多了。
其他星球上的引力可能過大或過小，照至其上的太陽光或許過亮或過暗，溫度也可能過高或過低，并且大氣也可能存在諸多問題。如無磁場(chǎng)，我們將會(huì)遭到致命的輻射轟擊。最重要的是，其他星球上的食物可能也不安全。
太空自身的環(huán)境甚至更為惡劣。在接近絕對(duì)零度的溫度下，人類會(huì)被凍結(jié)；但如果我們直接暴露在未經(jīng)大氣層過濾的太陽光下，人類又會(huì)被燒熔。如前文所述，即使短暫地暴露在太空真空中也將致命。沒有大氣層作為屏蔽，輻射也會(huì)慢慢將我們殺死。此外，我們需要隨身攜帶所有的氧氣、食物、水和能量。本質(zhì)上講，為了在太空中生活，我們需要建造一個(gè)與地球環(huán)境非常相似的球形居所，外層由大氣層包裹，形如一個(gè)氣泡。
最重要的是，太空中沒有重力。軌道將保持一個(gè)持續(xù)下降的狀態(tài)，在軌道上基本上沒有明顯的重力感，技術(shù)上稱為“微重力”，因?yàn)樘罩腥杂形⑿〉木植恐亓碓?。如果未受到接?g的重力，我們的身體就無法運(yùn)作——我們會(huì)失去骨骼和肌肉，無法正常分配體液，視力將會(huì)受損，以及其他仍在了解中的副作用。
太空定居并非易事，但我們?nèi)詴?huì)再接再厲，因?yàn)樘剿骱投ň有碌胤绞侨祟惖纳娣绞健?/p>
永久定居的空間站或許不具備可行性
將任何現(xiàn)有的空間站都稱為“定居點(diǎn)”，甚至是永久點(diǎn)，都還為之過早。定居點(diǎn)意味著一個(gè)自給自足的社區(qū)。不過，太空定居點(diǎn)不必完全自給自足，可以依賴外部交換或支持，但這種地方應(yīng)該是人們生活和工作之地。
順便一提，太空愛好者已不再使用“殖民太空”這個(gè)詞了，因?yàn)橹趁竦氐亩x為外國(guó)勢(shì)力在另一個(gè)國(guó)家的部分地區(qū)建立部分或完全控制，并從本國(guó)移民至此。如果火星上確有火星人，那么地球人在此定居便會(huì)形成殖民地。因此，在發(fā)現(xiàn)外星生命之前，我們將堅(jiān)持目前的傳統(tǒng)說法“定居”。
現(xiàn)有的空間站，即人們可以在太空中生活和工作的地方，并非完全的定居點(diǎn)，而是前哨站，或者顧名思義，即空間站。國(guó)際空間站是目前太空中壽命最長(zhǎng)且面積最大的有人居住建筑，其首尾相連長(zhǎng)達(dá)108米，內(nèi)部生活空間相當(dāng)于一個(gè)六居室的房屋。國(guó)際空間站的主體建筑始建于1998年，并于2011年完工，但相關(guān)升級(jí)和維修幾乎一直在進(jìn)行。
《2001太空漫游》（1968）劇照。
自2000年11月2日以來，來自18個(gè)國(guó)家的242名宇航員（數(shù)據(jù)截至2020年11月）曾居住在國(guó)際空間站。美國(guó)宇航員斯科特·凱利保持著在國(guó)際空間站連續(xù)停留時(shí)間最長(zhǎng)的紀(jì)錄，達(dá)340天。而宇航員佩吉·惠特森在國(guó)際空間站停留的總時(shí)間最長(zhǎng)（非連續(xù)），為665天。
之前的空間站，包括“金剛石空間站”和“禮炮號(hào)空間站”系列，“天空實(shí)驗(yàn)室”、“和平號(hào)空間站”和“天宮一號(hào)試驗(yàn)空間站”，都不再運(yùn)行。這些空間站使與太空生活相關(guān)的科學(xué)技術(shù)得以發(fā)展。宇航員甚至可以在太空中種植食物，盡管其產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠養(yǎng)活宇航員。國(guó)際空間站不能自給自足食物和水，完全依賴外界運(yùn)輸。
在國(guó)際空間站上，排泄物只能部分回收利用。人類糞便經(jīng)過殺菌處理，最終被拋出空間站，并作為“糞便流星”在地球大氣層中燃燒。然而，美國(guó)國(guó)家航空航天局正在尋找充分回收利用人類排泄物的方法。其中一項(xiàng)建議是將排泄物儲(chǔ)存在空間站的外層，作為抵御輻射的“糞便屏障”?？苹孟矂‰娨晞 兜谖宕蟮馈芬杂哪姆绞教接懥诉@一構(gòu)想，但這是一項(xiàng)嚴(yán)肅的提議。自2009年以來，國(guó)際空間站一直在回收尿液，且該系統(tǒng)已升級(jí)為更有效的模型，即使用強(qiáng)酸凈化宇航員的尿液。正如一位宇航員所說：“今天的咖啡也是明天的咖啡?！?/p>
國(guó)際空間站將持續(xù)飛行至2030年，美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃讓其退役，并于2031年的某個(gè)時(shí)候?qū)⑵浯輾Р⒊寥牒Ｑ?，再用一系列商業(yè)空間站取而代之。私營(yíng)航天企業(yè)公理航天正在計(jì)劃將自行研發(fā)的模塊連接到國(guó)際空間站，并于2022年開始執(zhí)行任務(wù)。這些模塊是對(duì)老化的國(guó)際空間站的重大升級(jí)，一旦國(guó)際空間站退役，公理航天的模塊將分離出來，成為該公司自有的空間站。
另一家私營(yíng)公司，軌道組裝公司（OAC）公布了其“旅行者空間站”計(jì)劃，該空間站將最多容納400人?！奥眯姓呖臻g站”是一個(gè)甜甜圈形狀（環(huán)面）的太空站，與電影《2001太空漫游》中的空間站十分相像，通過自旋產(chǎn)生人工重力。
美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃建造一個(gè)名為“門戶”的月球空間站，作為阿爾忒彌斯任務(wù)的一部分，以方便完成往返月球表面的任務(wù)。隨著從低地球軌道到月球（稱為“地月空間”）空間基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，未來可能會(huì)有更多的空間站。
但是，空間站是用于參觀或完成任務(wù)的地方，而非定居點(diǎn)。目前尚無建造空間站定居點(diǎn)的計(jì)劃。在進(jìn)入太空的成本大幅降低和在太空自給自足的技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展之前，永久定居的空間站或許不具備可行性。
人們是否愿意在太空生活？
對(duì)于一個(gè)作為永久定居點(diǎn)的空間站而言，它需要在很大程度上實(shí)現(xiàn)自給自足，因?yàn)閷⑽镔Y送入太空的費(fèi)用高昂且不易操作。完全回收所有的水和排泄物將成為必須要求。于永久居民而言，空間站還需具備安全性，這意味著其外部應(yīng)有足夠的輻射屏蔽措施。
能夠?yàn)樗械木用穹N植充足的食物有著額外的優(yōu)勢(shì)，不過，運(yùn)送補(bǔ)充食品也具有可行性。水培花園，即使用完全受控的環(huán)境、人造光和幾乎完全循環(huán)利用的水，在水中種植植物，這已經(jīng)是一項(xiàng)巨大的產(chǎn)業(yè)（預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)97億美元）。水培法是一種可種植許多蔬菜的有效方法，人們已經(jīng)在國(guó)際空間站上利用此法種植了試驗(yàn)植物。
《2001太空漫游》（1968）劇照。
人工重力也必不可少，所幸這可以通過簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，不過仍需面積相當(dāng)大的空間站。空間站越大，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響就越不容易被飛船內(nèi)的乘客察覺，因此也不容易引起眩暈。和“旅行者號(hào)”探測(cè)器一樣，這種環(huán)面設(shè)計(jì)最早由赫爾曼·波多奇尼克（曾化名赫爾曼·諾頓）于1929年提出，因此有時(shí)被稱為“諾頓之輪”。不過，我們還有其他選擇——可以用一根長(zhǎng)纜繩連接兩個(gè)模塊，使二者圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，飛船可以?？吭诶|繩的中心點(diǎn)，通過升降機(jī)到達(dá)其中一個(gè)模塊上。
另一個(gè)想象中的設(shè)計(jì)是一個(gè)沿著長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)的大圓柱體，就像《巴比倫5號(hào)》中的車站一樣。這一構(gòu)想最初由達(dá)雷爾·羅米克于1956年提出，他設(shè)想了一個(gè)高1000米、直徑300米的圓柱體，可容納2萬人。杰拉德·K.奧尼爾于1974年對(duì)此發(fā)表了首篇技術(shù)分析，因此這種設(shè)計(jì)被稱為“奧尼爾圓柱體”。根據(jù)奧尼爾的計(jì)算，鋼的強(qiáng)度足以支撐一個(gè)直徑為8000米的圓柱體，但這已經(jīng)是最大限度了。更先進(jìn)的材料可以制造更大的結(jié)構(gòu)。
《巴比倫5號(hào)：歸鄉(xiāng)路》（2023）劇照。
能量供應(yīng)也很關(guān)鍵，但利用太陽能電池板便可輕而易舉地獲取能量。在太空中，太陽能電池板可以自動(dòng)定向，以獲得持續(xù)最大化的太陽光供應(yīng)。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，或者面板因任何原因需要脫機(jī)時(shí)，備用電池不可或缺。太空中其他形式的能量可能不易獲取且成本高昂，但極有可能用作備用電源。但未來的大型空間站可能會(huì)包括一個(gè)小型核反應(yīng)堆，甚至是一個(gè)先進(jìn)的核聚變反應(yīng)堆。
事實(shí)上，氧氣問題并沒有想象中那樣難以解決。如果種植的食物足以養(yǎng)活一個(gè)空間站的居民，那么這些植物也會(huì)循環(huán)利用二氧化碳，產(chǎn)生的氧氣將大于所需要的量。美國(guó)國(guó)家航空航天局稱這種系統(tǒng)為“受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)”。在這種系統(tǒng)中，最著名的實(shí)驗(yàn)或許就是“生物圈2號(hào)”封閉棲息地，這是一座微型的人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，但并未針對(duì)太空環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。與之更相關(guān)的實(shí)驗(yàn)是蘇聯(lián)主導(dǎo)的BIOS-3，這是20世紀(jì)60年代至80年代一個(gè)研究項(xiàng)目的一部分。人們發(fā)現(xiàn)，只需分配給每人13平方米的土地，他們就能種植78%的所需食物，從而制造幾乎所有的氧氣。只要有更多的空間和更高的效率，就可以輕而易舉地生產(chǎn)所有的食物和充足的氧氣。
事實(shí)上，對(duì)潛在的火星封閉棲息地的模擬發(fā)現(xiàn)，氧氣過量可能才是真正的問題所在。如果大氣中的氧含量過高，就會(huì)引發(fā)火災(zāi)。因此，任何封閉的棲息地系統(tǒng)都需要謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)植物的種類和數(shù)量，以完美地平衡食物、水、氧氣和二氧化碳的數(shù)量，或者采用環(huán)境系統(tǒng)從而調(diào)整這些變量。產(chǎn)生過多的氧氣或許比去除多余的氧氣更為容易?？梢詫⒍嘤嗟难鯕鈨?chǔ)存起來，以供艙外活動(dòng)或訪問空間站的飛船使用，也可將其用作燃料。
有關(guān)深空定居點(diǎn)的其他建議包括挖空大型小行星，再將其內(nèi)部用作空間站。如果小行星體積足夠大，比如谷神星，那么甚至可能“加速”小行星的旋轉(zhuǎn)（就像《蒼穹浩瀚》中那樣，劇中做法本質(zhì)上是利用火箭使小行星旋轉(zhuǎn)得更快），以產(chǎn)生人工重力。同時(shí)，小行星自身也會(huì)提供足夠的屏蔽從而抵御輻射和流星。
最重要的是，不但一個(gè)封閉的生態(tài)控制棲息地完全具有可行性，而且我們現(xiàn)在距離實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)已經(jīng)非常近了。在這樣一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，有足夠的原材料、適當(dāng)?shù)妮椛淦帘?、一些產(chǎn)生人工重力的旋轉(zhuǎn)，以及為整個(gè)系統(tǒng)供電的太陽能電池板。由此可見，在不久的將來，永久定居太空的可行性極高，并且最終很可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。
定居太空的構(gòu)想由來已久。1895年，俄羅斯火箭之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出了建立空間站的想法。1903年，他完善了這一想法，包括旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重力、太陽能，以及一個(gè)產(chǎn)出食物和氧氣的封閉棲息地。125年之后的今天，我們所擁有的技術(shù)至少可以開始實(shí)現(xiàn)他的這一宏愿。
真正的問題在于人們是否愿意在太空生活。答案很可能是，畢竟全球人口數(shù)十億，總有人會(huì)想要這么做。但我們不得不問：除了在太空中生活，人們還能在那兒做什么？這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題（正如我們所見，經(jīng)濟(jì)學(xué)問題往往比純粹的技術(shù)問題更為重要）。人們能否在太空中謀生？獲得的收益是否足以負(fù)擔(dān)可能極為高昂的生活成本？
太空定居的經(jīng)濟(jì)效益將取決于未來的工業(yè)發(fā)展。即使是具備人工重力的空間站也會(huì)有低重力甚至微重力的位置，這對(duì)某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)很有幫助，對(duì)未來的一些工業(yè)產(chǎn)業(yè)而言，也可能至關(guān)重要。微重力制造或許是未來太空定居的命脈所在。利用空間站作為操作基地的小行星采礦業(yè)是另一個(gè)潛在產(chǎn)業(yè)。在小行星上工作的礦工將需要一個(gè)居住和獲取補(bǔ)給的地方，因?yàn)樯舷峦涤诘厍蛑亓⒉粍澦?。未來的太空定居點(diǎn)甚至可能有技術(shù)人員駐扎，他們的工作是維護(hù)一個(gè)巨大的軌道太陽能電池板排布，從而向地球發(fā)射能量（或管理實(shí)際參與工作的機(jī)器人）。
我們可以在其他星球定居嗎？
當(dāng)然，我們并不局限于在太空中建造自由漂浮的空間站。我們可以采用同樣自給自足的棲息地技術(shù)，在月球、火星和太陽系的其他星球上建造定居點(diǎn)。遇到的問題基本上并無差別。這類棲息地同樣需要能量、食物、氧氣、正常大氣壓和輻射屏蔽。
在月球這樣的星球上，有些事情操作起來會(huì)更容易，有些則更難實(shí)施，還有些與在其他星球操作難度一致。食物、氧氣、資源回收利用和大氣控制在太空或月球表面或其他行星表面幾乎都是難度相同的技術(shù)問題。唯一真正的區(qū)別在于，在其他星球表面開展上述活動(dòng)更為容易。人們也可以利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)化層為種植植物創(chuàng)造土壤，不過，水培農(nóng)業(yè)也具有可行性。有些地點(diǎn)甚至有當(dāng)?shù)氐乃础?/p>
太陽能電池板也可能成為能源支柱。由于太空中的太陽光持續(xù)發(fā)出，因此極易獲取太陽能。月球兩極可以持續(xù)接收光照，但其他位置則不能，因此需要建造更多的太陽能電池板，并將其與足夠的備用電池系統(tǒng)配對(duì)。
《2001太空漫游》（1968）劇照。
如在其他星球上定居，核反應(yīng)堆可能更有價(jià)值，也更有必要。在遠(yuǎn)離人類棲息地的地方，可以輕而易舉地建造核反應(yīng)堆，并可連續(xù)數(shù)十年生產(chǎn)可靠的能源。在火星上，風(fēng)力渦輪機(jī)是可行的。事實(shí)上，由于阻擋太陽能電池板的沙塵暴可以產(chǎn)生風(fēng)能，風(fēng)力渦輪機(jī)可以作為有效替補(bǔ)。
距離太陽越遠(yuǎn)，太陽能電池板可獲得的能量就越少。例如，火星上的最大太陽輻照度約為590瓦/平方米，略高于地球（1000瓦/平方米）的一半，相比之下，木星上僅為50瓦/平方米。然而，太陽系以外的氣態(tài)巨行星中含有大量的氫，一些較大的衛(wèi)星上含有碳?xì)浠衔?，這些物質(zhì)可以為核聚變反應(yīng)堆甚至氫燃料電池提供燃料（可與所有食物生產(chǎn)產(chǎn)生的多余氧氣結(jié)合）。即使是彗星也含有可以作為燃料來源的揮發(fā)性元素。
在固體星球上防輻射更為簡(jiǎn)單，原因有二。其一，可以就地取材。到達(dá)月球表面后，就可以在當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)化層上建造棲息地，其中包括厚厚的輻射屏蔽。
根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的圖像，我們現(xiàn)在也有充分的理由得出結(jié)論，月球和火星上可能存在天然洞穴，可作為完美的輻射屏蔽。這些洞穴為熔巖管道，在熔巖到達(dá)或接近地表時(shí)形成。在月球上，洞穴的寬度估計(jì)在300至900米之間（沒錯(cuò)，確實(shí)是寬度）。由于火星的重力較大，火星上的洞穴較小，但寬度仍在40至400米之間。
這些深洞不僅可以防輻射，還可以擋避微隕石，甚至更大的流星，對(duì)于無任何大氣層保護(hù)的太空棲息地而言，這三者都構(gòu)成了真正的威脅。此外，我們也許可以在熔巖管道內(nèi)打造簡(jiǎn)易的充氣棲息地，無需任何重型建筑。甚至有可能對(duì)整個(gè)熔巖管道進(jìn)行密封和加壓。
也許，在低重力星球上定居遭遇的最困難的挑戰(zhàn)在于，并無簡(jiǎn)單易行的方法將重力增加到接近地球正常的水平。具有諷刺意味的是，在只有微重力的太空中，利用旋轉(zhuǎn)來解決這個(gè)問題更為容易。月球表面的重力只有0.165g，火星上則為0.38g。目前，我們甚至還不知道如何在理論上產(chǎn)生真正的人工重力，而且這一點(diǎn)可能無法實(shí)現(xiàn)。有人建議建造大型環(huán)形軌道，使棲息地傾斜成一定角度并旋轉(zhuǎn)，從而增加重力，但這一解決方案可能不切實(shí)際。
我們?nèi)狈υ虑蚧蚧鹦堑牡椭亓Νh(huán)境對(duì)生物效應(yīng)的長(zhǎng)期研究，但從目前已知信息來看，低重力環(huán)境可能會(huì)降低我們的骨密度和肌肉力量，并產(chǎn)生其他負(fù)面影響。如果你要在月球或火星上度過余生，那么這種環(huán)境不會(huì)造成影響，因?yàn)槟銜?huì)適應(yīng)這種重力。然而，一旦你回至地球，就會(huì)發(fā)覺難以適應(yīng)甚至不可能適應(yīng)地球重力。由此可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)人類亞種群，而每個(gè)亞種群都能適應(yīng)不同的重力。
《2001太空漫游》（1968）劇照。
世代飛船值得一提，這是另一種定居形式。世代飛船是一艘大到足以充當(dāng)空間站的宇宙飛船，能夠完全自給自足，且可以容納數(shù)百甚至數(shù)千人。然而，空間站也是一艘飛船，能夠產(chǎn)生大約1g的持續(xù)推力。在此情況下，加速度將提供人工重力，而不是旋轉(zhuǎn)?；蛘撸坏╋w船達(dá)到巡航速度，就可以改變配置，使生活艙旋轉(zhuǎn)以提供重力。
這種飛船的設(shè)計(jì)比空間站或月球基地更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗仨殞?shí)現(xiàn)真正的自給自足，因?yàn)橛肋h(yuǎn)不會(huì)有任何補(bǔ)給，其中包括所有的維護(hù)和修理。在深空中，也不會(huì)有太陽能，所以核裂變或核聚變或許必不可少，或者可利用反物質(zhì)甚至黑洞引擎這類高科技提供能量。
上述飛船通常稱為“世代飛船”，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)初衷就是為超過人類一生時(shí)間——數(shù)十年到數(shù)百年——的太空旅程提供居所。到達(dá)理想目的地的人們將是那些離開出發(fā)地并在飛船上度過一生的人們的后代。據(jù)推測(cè)，飛船上的資源和人力將用于在遙遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)中建立一個(gè)新的定居點(diǎn)。
原文作者/[美]史蒂文·諾韋拉 [美]鮑勃·諾韋拉 [美]杰伊·諾韋拉
摘編/何也
編輯/何安安
校對(duì)/張彥君
