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《太空居民》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为您解读的书是《太空居民》，副标题是“人类将如何在无垠宇宙中定居”。
2021年，我们一起见证了人类航天史上极其精彩的一年。中国载人空间站天和核心舱成功送入近地轨道，哈勃望远镜的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜发射成功，希望号、祝融号和毅力号探测器成功造访火星。在人类航天活动越来越频繁的背景下，成为太空居民，在宇宙中穿梭，或许将不再是幻想。
《太空居民》这本书就讲述了人类将如何在太空克服重重困难，开拓新的生存空间。本书作者是美国著名科普作家、科学记者克里斯托弗·万杰克，他曾担任NASA戈达德太空飞行中心资深作家，长期报道宇宙的结构与演化。
《太空居民》这本书一经出版便好评如潮，被《每日电讯报》评为2020年度推荐图书。作者在书中系统性地分析了限制人类进入太空的因素，以及人类定居太空所面临的挑战，并探索了未来太空旅行可能的模式，帮助我们对太空旅居有更加清晰的认知。
那接下来，我将分为四个部分为您解读这本书：第一，人类为什么要去太空；第二，太空旅行面临哪些挑战；第三，如何进入太空；第四，如何在太空中定居。
我们先来说第一部分：我们为什么要去太空。
现代宇宙航行学奠基人、苏联航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基曾经说过：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。”地球上的空气、水、阳光、温度、大气压力、重力、宇宙射线等元素都是独一无二的，经过十数亿年的演化，地球上的生命已经完全适应了地球的环境。人类一旦离开地球，生命将遭受极大的威胁。那么，人类为什么要冒险去太空呢？
太空活动倡导者认为，目前地球面临着严峻的人口过剩和资源不足的问题。21世纪初，世界人口超过了70亿大关，预计在2100年将接近120亿。由资源争夺而引发的争端时刻在地球上演。如果人类能够探索和开发太空，拓展生存的空间和资源，此类难题将迎刃而解。
其次，地球并不是绝对安全的生存家园。宇宙中的近地小行星持续威胁着地球上的生命。地球曾被小行星撞击过很多次，绝大部分撞向地球的行星都会在大气层中燃烧殆尽，而剩下的穿过大气层的行星，基本都会以陨石的形态坠落地球。地球只有3%的面积有人类居住，所以人类被陨石击中的概率微乎其微。而体型巨大的行星撞击地球，则会产生大范围的影响。6500万年前的一颗直径大约10km的行星撞击地球，导致了恐龙的灭绝，至少45%的物种在地球上永远消失。不幸的是，观测数据显示，在太阳系远处，有一颗巨大的小行星正处在与地球碰撞的轨道上，预计在未来10万年内撞上地球。所以我们需要发展在其他星球上维系生命的技术。
还有一个非常现实的威胁，那就是气候变化。气候变化正影响着全球极端天气，全球变暖威胁着人类生命安全、农业、生产、水源等各个方面。比如2022年初，极端的冬季风暴尤尼斯席卷欧洲，造成了多人死亡和大量的财产损失。倘若人类不采取相应措施来缓解全球变暖，预计到2100年，全球平均气温将上升3.2℃，极地冰盖融化导致海平面上升数米，大多数海岛及沿海地区将被淹没，大量人类流离失所。
人口资源不匹配、天灾人祸、小行星威胁、气候变化等因素，时刻威胁着人类在地球上的生活。不过，这些问题还无法迫使或鼓励人们立刻去太空定居。英国登山家乔治·马洛里解释自己冒险挑战登顶珠峰的原因，是因为“山就在那里”。作者万杰克将马洛里的观点移植到太空探索领域，认为人类之所以要去太空，是因为探索的欲望、征服宇宙的本能，驱使着人类冒险奔向太空。
不过，太空旅行安全吗？现有的科学技术发展成熟吗？接下来我们讲第二部分，就会告诉您太空旅行所面临的挑战。
离开了地球的保护，人类不得不面对高能粒子辐射、重力不足、空气缺失、压力和温度等威胁，甚至由于长期居住在狭小的空间而出现精神疾病。NASA人类研究计划路线图项目专注于研究载人航天对人类健康的影响，已经发现了34种已知健康风险以及232种疑似风险。
首先，我们来谈谈重力问题。科幻迷在电视上看到宇航员在空间站自由漂浮的画面，都羡慕不已。然而现实并没有那么唯美。NASA研究发现，长期处于外太空零重力环境对人类健康有多方面的危害。人类已经完全适应了地球上的重力环境，如果失去重力，我们骨骼里的钙会流失，肌肉会萎缩、血管扭曲变形，导致眼睛最终失明。国际空间站里的宇航员每天必须进行两个小时的锻炼，来减缓骨质流失，但数据表明，他们的骨骼密度仍然每个月下降1%，而地球上的老年人骨骼密度下降1%需要一年的时间。美国的《科学进展》杂志曾发表一篇论文，通过对比一对双胞胎宇航员25个月的身体指标数据发现，太空中的失重环境会引起DNA的变异，甚至会导致大脑萎缩。科学家尝试通过药物加压、护腿等方案进行调解，然而只能缓解失重所带来的影响，并不能完全避免。目前唯一可行的解决方案是制造人造重力。人造重力就是通过快速旋转栖息地，使人感受到的离心力和地球重力相等，让人体各个器官获取和地球相同的重力环境。你不用担心眩晕，因为周围的参照物是相对静止的，就跟你站在地球上不会晕一个道理。日本在国际空间站的希望号实验舱已经证实了人造重力的可行性和有效性。俄罗斯计划在2025年在星辰号服务舱上链接一座充气式可旋转太空舱。
接下来，我们来谈谈辐射的威胁。有两种辐射会威胁人类的太空活动：几乎可控的太阳辐射和更具威胁的宇宙辐射。这些辐射都源自带电粒子组成的等离子。幸运的是，地球有一副坚固的铠甲——磁层和大气层，射向地球的辐射要么被磁层改变了方向，射向太阳系之外，要么被大气层阻挡，不会伤害地球上的生命。太空中目前尚未发现其他天体具有这副铠甲，人类一旦离开地球去往太空，就必须直面辐射所带来的威胁。太阳辐射所带来的危害相对可控，一方面是因为宇航服以及航天器的外壳能够阻挡日常太阳辐射的能量，另一方面发生太阳风暴等极端情况，人类现有的观测手段可以提前给宇航员预警，让他们进入航天器内，或者在栖息地建造的庇护所躲避。而宇宙射线则更具威胁，目前还没有任何预警或成熟的保护措施。这些来源于太阳系以外的宇宙射线不间断地从各个方向射向宇航员，现有的宇航服还不足以支撑宇航员长期暴露在宇宙射线中。这种无处不在的射线缓慢地影响着宇航员的安全和健康。
那如何能减少宇宙射线的影响呢？最新的研究发现，氢化氮化硼纳米管能够在承受巨大热量和压力的情况下有效阻隔宇宙射线，可以作为未来航天器的主要材料。欧洲核子研究组织还研发了一种人造磁场，它的强度是地球磁场的3000倍，可以保护飞船内外的宇航员。希望这些新起的材料和磁场可以尽快投入使用，保证太空旅行的安全。
我们再来聊聊温度、压力和空气等难题。宜人的温度、恰到好处的空气、压力、自由呼吸的空气，这些地球上再寻常不过的免费资源，在太空中将变得弥足珍贵。地球上的大气层像是给地球裹上一层厚厚的棉被，它允许太阳辐射的长波紫外线穿过，给地球提供热量，而地球向外辐射的能量大部分被大气层吸收后，再次回到地球表面。地球的热量吸收和散失达到微妙的动态平衡，因此，大气层将地球的温度保持在刚好合适的范围内，并实现温度的循环变化。像月球这种没有大气层保护的天体，就没有这么幸运了。由于没有大气层来保持空气产生风，并使热量循环起来，在太阳照射和照射不到的位置之间，月球的日夜温差可达几百摄氏度。
除了维持适宜的温度，大气层还可以提供压力。合适的压力使得液态水无法自由膨胀为气态。在气压只有地球气压1%的火星上，如果没有加压宇航服的保护，人体血液里的水会在几秒钟内迅速沸腾，所有依赖于液态的生命将瞬间死亡。目前人类主要依赖于宇航服和航天器的保护，来维持在太空的压力和温度。
大气层最直观的作用是提供了人类赖以生存的氧气。由于光合作用，地球上的植物吸收人体呼出的二氧化碳，释放氧气到空气中，天然的空气调节系统保证了人类的自由呼吸。而太空中的空气调节系统主要依赖于化学变化，吸附二氧化碳，并通过电离水的方法将氧气释放到空间站，以保证宇航员呼吸道的气体成分和地球上的差不多。各国的航天机构也在进行太空种植作物的研究，希望通过改良水培蔬菜等方式，在调节空气的同时解决食物来源的问题。
因此，想要进行安全的太空旅行，我们要解决重力、辐射、生存环境等各方面的问题。以人类所掌握的现有知识来看，进行长期太空旅行仍旧非常困难。但是随着新技术的不断突破，相信在不久的未来，太空居民将不再是梦。
接下来，我们来说说第三部分：如何进入太空。
要进入外太空，航天器必须摆脱地球引力的束缚，先进入地球轨道。航天器需要被加速到每秒8千米，才可以保持在近地轨道飞行，这需要消耗大量的燃料来抵抗地球的引力和大气的阻力。如以这个速度在地球上移动，从上海到北京只需要2.5分钟。当航天器到达近地轨道之后，离地球越来越远，受到引力的影响也将越来越弱，航天器可以消耗较少的能量继续被加速到大约每秒12千米，就能到达近地小行星；加速到每秒14千米，可以到达月球；加速到每秒16千米，可以抵达火星。
要让火箭能够获取足够的速度，通常需要大量的化学燃料。火箭约有90%的质量是燃料，8%的质量是用来装燃料的金属外壳，而真正需要被送入太空的人或设备只占到总质量的2%。这使得发射成本极高，运送1000克物质进入太空大约需要1.5万美元。试算一下，如果你带着行李箱去太空旅行，成本将会是多么的惊人呢？
那么，我们怎样才能降低进入太空的成本呢？齐奥尔科夫斯基推导出来的著名的齐奥尔科夫斯基火箭方程式是现代航天的基石。根据这个方程式，要想降低进入太空的成本，要么提高燃料效率，要么减少质量。现代的火箭为了减少质量，已经采用轻质材料制作而成，并且通过分级火箭的设计，在飞行过程中将空的燃料罐抛掉，没有更多的质量可以缩减了。那么我们只能从提升燃料效率和运送工具设计上做文章。
先来说提升燃料效率。目前，发射火箭主要采用液体氧和煤油、液体氢等的混合物作为燃料推进剂，这类燃料发动机的排气速度已经达到极限，每秒4.4千米。科学家们不断地研究新的燃料推进器，其中哈佛大学物理学家艾萨克·希尔维拉团队在实验室发明制造金属氢气的方法，也就是一种固态的氢气。将金属氢气作为燃料推进器的话，可以将火箭排气速度提升到每秒16千米，采用这种新型的推进剂极大减少了燃料的使用量，从而降低了火箭自身的重量，可以将发射成本降低数百倍。而如何稳定地生产和存储金属氢气，是当下急需克服的工程难题。
除了金属氢气，核燃料由于威力巨大、小巧廉价，是一个很好的燃料选项，并且人类已经通过核电站、核潜艇的应用，成熟掌握了核裂变技术。核裂变是指由重的原子核分裂成两个或者多个质量较小的原子核的过程。根据爱因斯坦质能方程，在裂变过程中出现质量亏损，而释放出大量的能量。核动力的潜能是惊人的，理论上，核动力可以把航天器的速度提升到每秒数百公里，发射成本降低数千倍。在20世纪50年代，由美国物理学家弗里曼·戴森领导的猎户座计划便是采用核动力火箭发射系统。后来，由于研发资金投入不足，以及担心发射过程中爆炸导致的核辐射的危害，美国政府于60年代取消了该项目，人类最终没能实现核动力火箭的发射。
那如果是几乎没有核辐射的核聚变技术呢？1967年诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家汉斯·贝特曾经通过实验证实，把一个氘原子核和一个氚原子核以极高的速度碰撞，会形成一个新的原子核，并释放出巨大的能量，由此揭开了核聚变的神秘面纱。骇人听闻的氢弹，便是在此原理的基础上发展而来的。氢核聚变的威力远超过核裂变，而且它的辐射是极其短暂的，因此如果采用氢核聚变作为火箭燃料的话，人类将获得无限廉价的燃料，届时太空运送成本将降低到几乎可以忽略。然而，发生核聚变的前提是必须要超过1亿摄氏度的高温，人类目前只有借助于核裂变所产生的热量才能触发氢核聚变，科学家们还没有探索出能够稳定控制和利用核聚变的发动机系统。
除了提升燃料效率，人类也在运送工具设计上不断地推陈出新，有已经成熟应用的Space X的可回收火箭，正在商用的太空飞机，还有充满科幻色彩的天钩、太空电梯等方案。下面我们逐一介绍。
Space X是由特斯拉汽车的创始人埃隆·马斯克于2002年创立的美国太空探索技术公司。他开发了可部分重复使用的猎鹰一号和猎鹰9号运载火箭。传统的火箭都是一次性的，在发射成功之后，就将火箭的燃料箱、火箭助推器等部件抛弃掉，而火箭助推器的成本约占整个发射成本的70%左右。Space X对火箭重要部件进行了改造优化，成功地让火箭助推器稳定着陆，并经过短暂的检查和维护，在几个星期内重复使用，这样就将火箭的发射成本降低了十倍之多，每公斤发射成本大约为1400美元。低成本的发射为Space X赢得了大量的商业订单，商业回报持续投入技术研发。马斯克曾经表示，Space X的目标是将低轨发射成本降低到每公斤十美元。
除了Space X，更多的商业公司也在载人航天领域取得了重大突破。毕格罗航宇公司计划未来开展太空酒店业务，亚马逊创始人杰夫·贝索斯创立的蓝色起源公司聚焦于太空旅游，维珍银河公司则致力于低轨道绕地球飞行，并且已经开始接受预定。
那么，如何才能快捷、舒适地到达太空酒店呢？那就不得不了解一下太空飞机了。到目前为止，进入太空唯一的途径就是搭乘载人运载火箭，然而其舒适性和安全性并不适合大规模普通游客乘坐。自20世纪80年代以来，英国一直在研发一款叫做云霄塔的太空飞机。它设计了一种特殊的发动机，在低空时从大气中吸入氧气进行燃烧，在到达高海拔空气更稀薄的高度后，切换到储存的火箭燃料进行燃烧推进。这种巧妙的设计思路能够让太空飞机可以以较低的成本获取更舒适的空间，提供类似商务客机的太空旅行体验。蓝色起源公司的亚轨道航班以及维珍银河公司的太空2号太空飞机，都是基于类似的设计将人类送入太空旅行。
除了载人火箭和太空飞机之外，还有没有其他的方式可以更低成本的进入太空呢？齐奥尔科夫斯基在19世纪末提出了太空电梯的概念。首先向36000千米高的地球静止轨道发射一个平台，然后通过缆绳向下延伸并链接到地面，将人或者货物放在太空电梯里，通过太阳能电池板转化的太阳能将电梯运送到平台。一旦系统建成，太空电梯将成为我们进入太空最便宜的通道，可能每公斤的运输成本只有几美元，然后只需要很少的能量就可以从平台到达更遥远的太空。
虽然太空电梯描绘的场景很美妙，但是在目前的技术水平几乎不可能实现。首先，我们需要36000千米长的缆绳，能够承受如此巨物的重量而不断裂的只有碳纳米管，而目前生产的最长的碳纳米管只有半米长。其次，即使能够制造大量链接的碳纳米管，我们还需要考虑把电梯的缆绳固定在哪里，才能确保不被飞机、太空垃圾撞击，更不会遭受恐怖活动的袭击。另外，还有在电梯上升过程中的压力和重力等问题。尽管技术不断在进步，我们在地球上几乎不可能拥有太空电梯。
受到太空电梯的启发，有人提出了天钩系统。在近地轨道的平台上链接一个缆绳和一个钩子或者磁铁，钩子或磁铁不需要固定在地球表面，而是通过缆绳悬挂在大气层边缘，通过热气球或者太空飞机将装满货物或人的太空舱吊在天钩上，然后再拉到近地轨道的平台上。20世纪90年代，美国波音公司对天钩系统进行了模拟实验，验证了其可行性。更令人兴奋的是，已经大量生产的高分子量聚乙烯做成的缆绳，可以满足天钩的重量和韧性要求。然而，技术可行性被验证后的天钩系统并没有真正实现，主要原因在于其经济性，因为研发和建造这样一套系统需要数10万亿美元的投入，没有哪个组织国家有能力负担得起。
新型燃料推进剂的突破以及新的运载模式的快速发展，会将太空旅行的成本不断降低。
最后，我们来构想一下如何在太空中定居生活。
1969年7月21日，美国宇航员尼尔·奥尔登·阿姆斯特朗乘坐阿波罗11号宇宙飞船成功登陆月球，成为第一个登上月球的人类，迈出了人类的一大步。2009年，印度的月船一号探测器在月球表面发现了广泛存在水分子的证据，甚至部分区域水含量高达30%，再次掀起了登月的浪潮，人们不禁畅想旅居月球的可能性。
即使月球上有生命之源水，人类在月球上生活依然面临巨大的挑战。月球的重力只有地球的1/6，稀薄的大气层大约只有地球的1/100000，基本相当于真空，昼夜温差高达几百摄氏度。由于缺少大气层和磁层的保护，宇宙辐射时时刻刻威胁着生命。因此月球基地必须建在地下，或者在表面覆盖超过2米厚的月球土壤，才能保证人类免于辐射伤害。还有一个最为关键的问题，月球上的一天相当于地球上的一个月，漫长的黑夜将极大地限制地球植物的生长。
虽然月球有上述问题，不适合人类长期生存繁衍，但是并不影响人类的探索热情。探测数据表明，月球含有两种地球上的稀有资源：氦和稀土矿物。如果能够成功实现开采，人类将受益匪浅。氦是核聚变的关键原料，200kg的氦足够为上海这样的国际化大都市提供一年的电力。地球上已探明的氦只有不到一吨，而月球表面含有100多万吨。一旦在月球实现对氦的开采利用，地球的能源危机和环境问题将迎刃而解。月球上的稀土矿也吸引着大量的关注，稀土元素广泛应用在电子行业，有着工业维生素的美誉。一部IPHONE就使用了17种稀土元素。地球上的稀土矿开采越来越困难，并且在提取过程中会伴随着大量的污染，因此稀土变得越来越昂贵。月球上有大量的稀土矿，而且由于月球引力小，矿物可以相对容易地从月球表面开采并运送出去。
现有的技术条件下，月球在相当长的时间内并不适合人类长期定居。作者认为未来月球会是集科学探索和工业园的发展模式。我们可以在月球建立科研基地，让科学家们依靠地球的物质运输补给，对月球进行深入的科学研究。如果未来机器人采矿产业发展成熟，人类还可以远程控制机器人来完成挖矿，甚至就地加工。
既然月球不适合人类长期定居，我们将目光转向另外一个太空定居的热门——火星。如果人类在21世纪能够在太阳系中除地球以外的天体上永久定居，那么它一定是火星。在太阳系的固态天体中，只有火星能够提供适当的重力和温度，并且拥有人类生存所需的所有化学元素。火星的重力是月球的两倍，大约为地球的38%，重力影响可能没有那么极端。火星的白天温度最高可达20℃，夜间温度降低至零下100℃，这与地球南北极类似。由NASA和加拿大航天局联合开发的集漫游车、钻井平台、工业烤箱、实验室于一体的挥发性物质萃取系统，可以利用太阳能在火星岩石中提取氧气和水，呼吸和饮水也不再是难题。NASA研制的火星原位氧资源利用实验装置，还可以将火星大气中大量的二氧化碳转化成氧气和燃料甲烷。火星有着和地球极为相似的昼夜周期，一整天为24小时37分钟，大约12小时为白天，可为植物生长提供光照。因此，在火星上种植农作物的难度大大降低。科学家们已经模拟火星土壤中的农作物种植，洋葱、大蒜、生菜、芝麻、红薯、甘蓝等多种作物都长得很茂盛。
然而，在火星上定居不得不面临大气压力和宇宙辐射的威胁。火星表面有着稀薄的空气，平均气压为600帕，不到地球的1%。加上火星没有磁层的保护，人类不得不依赖宇航服，生活在加压建筑内。对于宇宙辐射，我们可以期待人造磁场技术的突破，让射向火星的宇宙辐射发生偏转。
那么，大气压力成为了定居火星核心要解决的问题。科学家提出了火星地球化的设想，给火星制造出一个大气层。具体步骤是这样的：首先，在火星上建立一座生产温室气体的工厂，向火星大气中释放四氟甲烷和六氟乙烷等温室气体，吸收的太阳光能使火星20年内温度升高4℃。气温上升会导致火星两极的固态二氧化碳被释放到空气中，新形成的大气层可以让火星拥有更适宜的温度和适当的气压。接下来就是用其他方式来调节火星大气的组成成分，降低二氧化碳浓度，提高氧气含量，确保人类可以脱离宇航服，自由自在地定居在火星上。
一旦人类开始在火星定居，受辐射、温度、光照等因素的影响，它们与地球上的人类相比，外貌将发生巨大变化。首先，明显的变化可能是眼睛和头骨。因为火星距离太阳更远，相较于地球获得的阳光更少，因此人类会朝着瞳孔变大的方向进化，以获取更多的光线，而头骨也跟着进化，以适应更大的眼窝。其次，火星人类的肤色也会发生变化，增加的辐射会刺激真黑素的产生，导致皮肤变黑，新的饮食结构可能会导致皮肤沉淀其他色素。同时，伴随人类一起定居火星的其他动植物、微生物也会逐步进化，以适应火星的环境，甚至新的物种也将逐步形成。
探索月球和定居火星所积累的经验和技术，将帮助人类更大胆地造访其他星球。随着航天科学的不断突破，人类必将前往更宜居和发展文明的恒星系，穿梭于无垠宇宙。
好，《太空居民》这本书就为您解读到这里，听书笔记就在音频下方，我们下期再见。
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