我們可以前往月球阿爾法基地和更遠的地方定居嗎？
上映於1975年的《太空：1999》中，太空月球基地“阿爾法”激發了人們對未來 太空探索的無限遐想。2010年，美國航天局（NASA）發行了一款以月球基地爲背景的遊戲《月球基地阿爾法》。這之後，埃隆·馬斯克（Elon Musk）也曾提出建立月球基地“阿爾法”的宏偉計劃。對於人類而言，阿爾法基地也許意味着人類對太空定居的美好期望。
那麼，我們可以前往月球阿爾法基地和更遠的地方定居嗎？
由於人類是在地球上進化而來的，所以我們已經高度適應了這個環境——有一個薄薄的氣體外殼包圍着我們的星球，溫度和壓力變化範圍很窄，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，溼度適中。我們現已進化到能在太陽發出的光線下看見事物，並能夠食用有機物，而我們亦是有機物的一部分。
離開這個小小的似繭蛹一般的保護層，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。沙漠的環境太熱太乾，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，穿着衣服，甚至住在由環境控制的房屋裡，以保持真正的舒適。
相比之下，已知宇宙的其餘部分則是一片致命的地獄。事實上，據我們目前所知，在沒有防護太空服或封閉棲息地的情況下，人類無法在其他地方生存。儘管常見的科幻小說認爲，太空旅行者可以在大多數行星上着陸，並且環境相對舒適，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，並且大氣也可能存在諸多問題。如無磁場，我們將會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。
太空自身的環境甚至更爲惡劣。在接近絕對零度的溫度下，人類會被凍結；但如果我們直接暴露在未經大氣層過濾的太陽光下，人類又會被燒熔。如前文所述，即使短暫地暴露在太空真空中也將致命。沒有大氣層作爲屏蔽，輻射也會慢慢將我們殺死。此外，我們需要隨身攜帶所有的氧氣、食物、水和能量。本質上講，爲了在太空中生活，我們需要建造一個與地球環境非常相似的球形居所，外層由大氣層包裹，形如一個氣泡。
最重要的是，太空中沒有重力。軌道將保持一個持續下降的狀態，在軌道上基本上沒有明顯的重力感，技術上稱爲“微重力”，因爲太空中仍有微小的局部重力來源。如果未受到接近1g的重力，我們的身體就無法運作——我們會失去骨骼和肌肉，無法正常分配體液，視力將會受損，以及其他仍在瞭解中的副作用。
太空定居並非易事，但我們仍會再接再厲，因爲探索和定居新地方是人類的生存方式。
撰文｜[美]史蒂文·諾韋拉
鮑勃·諾韋拉
傑伊·諾韋拉
《未來漫遊指南：昨日科技與人類未來》，[美]史蒂文·諾韋拉 [美]鮑勃·諾韋拉 [美]傑伊·諾韋拉 著，別盡秋 譯，中科書院丨中國科學技術出版社2024年11月版。
永久定居的空間站
或許不具備可行性
將任何現有的空間站都稱爲“定居點”，甚至是永久點，都還爲之過早。定居點意味着一個自給自足的社區。不過，太空定居點不必完全自給自足，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”這個詞了，因爲殖民地的定義爲外國勢力在另一個國家的部分地區建立部分或完全控制，並從本國移民至此。如果火星上確有火星人，那麼地球人在此定居便會形成殖民地。因此，在發現外星生命之前，我們將堅持目前的傳統說法“定居”。
現有的空間站，即人們可以在太空中生活和工作的地方，並非完全的定居點，而是前哨站，或者顧名思義，即空間站。國際空間站是目前太空中壽命最長且面積最大的有人居住建築，其首尾相連長達108米，內部生活空間相當於一個六居室的房屋。國際空間站的主體建築始建於1998年，並於2011年完工，但相關升級和維修幾乎一直在進行。
《2001太空漫遊》（1968）劇照。
自2000年11月2日以來，來自18個國家的242名宇航員（數據截至2020年11月）曾居住在國際空間站。美國宇航員斯科特·凱利保持着在國際空間站連續停留時間最長的紀錄，達340天。而宇航員佩吉·惠特森在國際空間站停留的總時間最長（非連續），爲665天。
之前的空間站，包括“金剛石空間站”和“禮炮號空間站”系列，“天空實驗室”、“和平號空間站”和“天宮一號試驗空間站”，都不再運行。這些空間站使與太空生活相關的科學技術得以發展。宇航員甚至可以在太空中種植食物，儘管其產量遠遠不夠養活宇航員。國際空間站不能自給自足食物和水，完全依賴外界運輸。
在國際空間站上，排泄物只能部分回收利用。人類糞便經過殺菌處理，最終被拋出空間站，並作爲“糞便流星”在地球大氣層中燃燒。然而，美國國家航空航天局正在尋找充分回收利用人類排泄物的方法。其中一項建議是將排泄物儲存在空間站的外層，作爲抵禦輻射的“糞便屏障”。科幻喜劇電視劇《第五大道》以幽默的方式探討了這一構想，但這是一項嚴肅的提議。自2009年以來，國際空間站一直在回收尿液，且該系統已升級爲更有效的模型，即使用強酸淨化宇航員的尿液。正如一位宇航員所說：“今天的咖啡也是明天的咖啡。”
國際空間站將持續飛行至2030年，美國國家航空航天局計劃讓其退役，並於2031年的某個時候將其摧毀並沉入海洋，再用一系列商業空間站取而代之。私營航天企業公理航天正在計劃將自行研發的模塊連接到國際空間站，並於2022年開始執行任務。這些模塊是對老化的國際空間站的重大升級，一旦國際空間站退役，公理航天的模塊將分離出來，成爲該公司自有的空間站。
另一傢俬營公司，軌道組裝公司（OAC）公佈了其“旅行者空間站”計劃，該空間站將最多容納400人。“旅行者空間站”是一個甜甜圈形狀（環面）的太空站，與電影《2001太空漫遊》中的空間站十分相像，通過自旋產生人工重力。
美國國家航空航天局計劃建造一個名爲“門戶”的月球空間站，作爲阿爾忒彌斯任務的一部分，以方便完成往返月球表面的任務。隨着從低地球軌道到月球（稱爲“地月空間”）空間基礎設施的發展，未來可能會有更多的空間站。
但是，空間站是用於參觀或完成任務的地方，而非定居點。目前尚無建造空間站定居點的計劃。在進入太空的成本大幅降低和在太空自給自足的技術得到進一步發展之前，永久定居的空間站或許不具備可行性。
人們是否願意在太空生活？
對於一個作爲永久定居點的空間站而言，它需要在很大程度上實現自給自足，因爲將物資送入太空的費用高昂且不易操作。完全回收所有的水和排泄物將成爲必須要求。於永久居民而言，空間站還需具備安全性，這意味着其外部應有足夠的輻射屏蔽措施。
能夠爲所有的居民種植充足的食物有着額外的優勢，不過，運送補充食品也具有可行性。水培花園，即使用完全受控的環境、人造光和幾乎完全循環利用的水，在水中種植植物，這已經是一項巨大的產業（預計到2020年將達97億美元）。水培法是一種可種植許多蔬菜的有效方法，人們已經在國際空間站上利用此法種植了試驗植物。
《2001太空漫遊》（1968）劇照。
人工重力也必不可少，所幸這可以通過簡單的旋轉實現，不過仍需面積相當大的空間站。空間站越大，旋轉產生的影響就越不容易被飛船內的乘客察覺，因此也不容易引起眩暈。和“旅行者號”探測器一樣，這種環面設計最早由赫爾曼·波多奇尼克（曾化名赫爾曼·諾頓）於1929年提出，因此有時被稱爲“諾頓之輪”。不過，我們還有其他選擇——可以用一根長纜繩連接兩個模塊，使二者圍繞彼此旋轉，飛船可以停靠在纜繩的中心點，通過升降機到達其中一個模塊上。
另一個想象中的設計是一個沿着長軸旋轉的大圓柱體，就像《巴比倫5號》中的車站一樣。這一構想最初由達雷爾·羅米克於1956年提出，他設想了一個高1000米、直徑300米的圓柱體，可容納2萬人。傑拉德·K.奧尼爾於1974年對此發表了首篇技術分析，因此這種設計被稱爲“奧尼爾圓柱體”。根據奧尼爾的計算，鋼的強度足以支撐一個直徑爲8000米的圓柱體，但這已經是最大限度了。更先進的材料可以製造更大的結構。
《巴比倫5號：歸鄉路》（2023）劇照。
能量供應也很關鍵，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定向，以獲得持續最大化的太陽光供應。在出現緊急情況時，或者面板因任何原因需要脫機時，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包括一個小型核反應堆，甚至是一個先進的核聚變反應堆。
事實上，氧氣問題並沒有想象中那樣難以解決。如果種植的食物足以養活一個空間站的居民，那麼這些植物也會循環利用二氧化碳，產生的氧氣將大於所需要的量。美國國家航空航天局稱這種系統爲“受控生態生命保障系統”。在這種系統中，最著名的實驗或許就是“生物圈2號”封閉棲息地，這是一座微型的人工生態循環系統，但並未針對太空環境進行優化。與之更相關的實驗是蘇聯主導的BIOS-3，這是20世紀60年代至80年代一個研究項目的一部分。人們發現，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，從而製造幾乎所有的氧氣。只要有更多的空間和更高的效率，就可以輕而易舉地生產所有的食物和充足的氧氣。
事實上，對潛在的火星封閉棲息地的模擬發現，氧氣過量可能纔是真正的問題所在。如果大氣中的氧含量過高，就會引發火災。因此，任何封閉的棲息地系統都需要謹慎調節植物的種類和數量，以完美地平衡食物、水、氧氣和二氧化碳的數量，或者採用環境系統從而調整這些變量。產生過多的氧氣或許比去除多餘的氧氣更爲容易。可以將多餘的氧氣儲存起來，以供艙外活動或訪問空間站的飛船使用，也可將其用作燃料。
有關深空定居點的其他建議包括挖空大型小行星，再將其內部用作空間站。如果小行星體積足夠大，比如穀神星，那麼甚至可能“加速”小行星的旋轉（就像《蒼穹浩瀚》中那樣，劇中做法本質上是利用火箭使小行星旋轉得更快），以產生人工重力。同時，小行星自身也會提供足夠的屏蔽從而抵禦輻射和流星。
最重要的是，不但一個封閉的生態控制棲息地完全具有可行性，而且我們現在距離實現這一點已經非常近了。在這樣一個生態系統中，有足夠的原材料、適當的輻射屏蔽、一些產生人工重力的旋轉，以及爲整個系統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，並且最終很可能會實現。
定居太空的構想由來已久。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，包括旋轉產生重力、太陽能，以及一個產出食物和氧氣的封閉棲息地。125年之後的今天，我們所擁有的技術至少可以開始實現他的這一宏願。
真正的問題在於人們是否願意在太空生活。答案很可能是，畢竟全球人口數十億，總有人會想要這麼做。但我們不得不問：除了在太空中生活，人們還能在那兒做什麼？這是一個經濟問題（正如我們所見，經濟學問題往往比純粹的技術問題更爲重要）。人們能否在太空中謀生？獲得的收益是否足以負擔可能極爲高昂的生活成本？
太空定居的經濟效益將取決於未來的工業發展。即使是具備人工重力的空間站也會有低重力甚至微重力的位置，這對某些科學實驗很有幫助，對未來的一些工業產業而言，也可能至關重要。微重力製造或許是未來太空定居的命脈所在。利用空間站作爲操作基地的小行星採礦業是另一個潛在產業。在小行星上工作的礦工將需要一個居住和獲取補給的地方，因爲上下往返於地球重力井並不划算。未來的太空定居點甚至可能有技術人員駐紮，他們的工作是維護一個巨大的軌道太陽能電池板排布，從而向地球發射能量（或管理實際參與工作的機器人）。
我們可以在其他星球定居嗎？
當然，我們並不侷限於在太空中建造自由漂浮的空間站。我們可以採用同樣自給自足的棲息地技術，在月球、火星和太陽系的其他星球上建造定居點。遇到的問題基本上並無差別。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更容易，有些則更難實施，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問題。唯一真正的區別在於，在其他星球表面開展上述活動更爲容易。人們也可以利用當地的風化層爲種植植物創造土壤，不過，水培農業也具有可行性。有些地點甚至有當地的水源。
太陽能電池板也可能成爲能源支柱。由於太空中的太陽光持續發出，因此極易獲取太陽能。月球兩極可以持續接收光照，但其他位置則不能，因此需要建造更多的太陽能電池板，並將其與足夠的備用電池系統配對。
《2001太空漫遊》（1968）劇照。
如在其他星球上定居，核反應堆可能更有價值，也更有必要。在遠離人類棲息地的地方，可以輕而易舉地建造核反應堆，並可連續數十年生產可靠的能源。在火星上，風力渦輪機是可行的。事實上，由於阻擋太陽能電池板的沙塵暴可以產生風能，風力渦輪機可以作爲有效替補。
距離太陽越遠，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爲590瓦/平方米，略高於地球（1000瓦/平方米）的一半，相比之下，木星上僅爲50瓦/平方米。然而，太陽系以外的氣態巨行星中含有大量的氫，一些較大的衛星上含有碳氫化合物，這些物質可以爲核聚變反應堆甚至氫燃料電池提供燃料（可與所有食物生產產生的多餘氧氣結合）。即使是彗星也含有可以作爲燃料來源的揮發性元素。
在固體星球上防輻射更爲簡單，原因有二。其一，可以就地取材。到達月球表面後，就可以在當地的風化層上建造棲息地，其中包括厚厚的輻射屏蔽。
根據美國國家航空航天局提供的圖像，我們現在也有充分的理由得出結論，月球和火星上可能存在天然洞穴，可作爲完美的輻射屏蔽。這些洞穴爲熔岩管道，在熔岩到達或接近地表時形成。在月球上，洞穴的寬度估計在300至900米之間（沒錯，確實是寬度）。由於火星的重力較大，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，對於無任何大氣層保護的太空棲息地而言，這三者都構成了真正的威脅。此外，我們也許可以在熔岩管道內打造簡易的充氣棲息地，無需任何重型建築。甚至有可能對整個熔岩管道進行密封和加壓。
也許，在低重力星球上定居遭遇的最困難的挑戰在於，並無簡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，利用旋轉來解決這個問題更爲容易。月球表面的重力只有0.165g，火星上則爲0.38g。目前，我們甚至還不知道如何在理論上產生真正的人工重力，而且這一點可能無法實現。有人建議建造大型環形軌道，使棲息地傾斜成一定角度並旋轉，從而增加重力，但這一解決方案可能不切實際。
我們缺乏月球或火星的低重力環境對生物效應的長期研究，但從目前已知信息來看，低重力環境可能會降低我們的骨密度和肌肉力量，併產生其他負面影響。如果你要在月球或火星上度過餘生，那麼這種環境不會造成影響，因爲你會適應這種重力。然而，一旦你回至地球，就會發覺難以適應甚至不可能適應地球重力。由此可能會產生多個人類亞種羣，而每個亞種羣都能適應不同的重力。
《2001太空漫遊》（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空間站的宇宙飛船，能夠完全自給自足，且可以容納數百甚至數千人。然而，空間站也是一艘飛船，能夠產生大約1g的持續推力。在此情況下，加速度將提供人工重力，而不是旋轉。或者，一旦飛船達到巡航速度，就可以改變配置，使生活艙旋轉以提供重力。
這種飛船的設計比空間站或月球基地更具挑戰性，因爲它必須實現真正的自給自足，因爲永遠不會有任何補給，其中包括所有的維護和修理。在深空中，也不會有太陽能，所以核裂變或核聚變或許必不可少，或者可利用反物質甚至黑洞引擎這類高科技提供能量。
上述飛船通常稱爲“世代飛船”，因爲其設計初衷就是爲超過人類一生時間——數十年到數百年——的太空旅程提供居所。到達理想目的地的人們將是那些離開出發地並在飛船上度過一生的人們的後代。據推測，飛船上的資源和人力將用於在遙遠的恆星系統中建立一個新的定居點。
本文經授權摘選自《未來漫遊 指南：昨日科技與人類未來》。作者：[美]史蒂文·諾韋拉、鮑勃·諾韋拉、傑伊·諾韋拉；編輯：商重明；校對：張彥君。歡迎轉發至朋友圈。文末含《寫童書的人》本廣告。
最近微信公衆號又改版啦
大家記得將「新京報書評週刊」設置爲星標
不錯過每一篇精彩文章～
即刻購買《寫童書的人》～