墨子沙龙
太空栖息地:一个真正的、可不断扩展的可行性方案
发布时间:2020-11-02 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:70

人类要想在太空中生活,可采取的方式主要有两种。更常被描述的一种方式是:殖民其他天体,如月球和火星。这种方法有一些难点,比如如何应对有毒土壤、粘性粉尘和重力井等。

另外一种选择是在太空中建立我们自己的栖息地。它们可以位于太阳系的任何地方,可以是材料科学允许的任何尺寸,可以具有不同的特性,例如温度、气候、重力,甚至是一天的长度。当然,我们离建造一个完整的太空栖息地还有很长的路要走。不过德克萨斯农工大学研究团队的一篇论文让我们离这一目标又近了一步。该论文详细描述了可扩展太空栖息地的一种建造方法,栖息地由同心圆柱体组成,可容纳多达8000人。

任何有大量人口居住的太空栖息地都将不得不面对在太空中生存的一些主要问题。论文作者明确列出了他们的太空栖息地试图解决的5个问题:重力辐射防护可持续农业栖息地承载力商业价值


重力


长期暴露在缺乏重力的环境中会对人体造成严重破坏,导致视力受损、骨密度下降等各种问题。但大多数这类问题都可以通过一个简单的方案来解决:人工重力。

我们目前还没有技术能让毕凯舰长(见《星际迷航》)像站在办公楼里一样站在企业号舰桥上。然而,我们确实有一些类似于人工重力的东西:由旋转产生的离心力。这是给宇航员提供重力环境的一个相当普遍的解决方案。这一方案虽然还没有经过检测,但大多数专家都认为,它可以缓解大多数与缺乏重力有关的健康问题。

制造一个可以消除这些健康问题的人造重力系统,设计上有两个主要的因素要考虑。首先需要考量的是建造人工重力所需的栖息地大小。如果旋转半径太小,人的头和脚感知到的重力会有显著差异。这就是大家所熟知的“晕车”反应的原因。任何使居住者产生这种不良反应的栖息地都无法使用。

第二个考虑的重点因素是转速。作者引用了另外一篇文献,其中指出:无论转速多少,只要每分钟超过4周,同样会诱发“晕车”。考虑旋转速度的上限和旋转半径的下限,我们可以将太空栖息地的半径设计为56米,大约和比萨斜塔的高度一样。人类可以在这样的环境中生活,不会有“晕车”发生,也不会因持续处于零重力漂浮状态而对健康产生负面影响。

同卵双胞胎宇航员斯科特·凯利和马克·凯利是NASA双胞胎研究的对象。斯科特(右)在太空待了一年,而马克(左)则作为对照目标留在地球上。斯科特在零重力环境中待了很长时间,这使他身体相对虚弱。Credit:NASA


辐射防护


零重力环境并不是太空栖息地面临的唯一隐患。长期暴露在宇宙线辐射环境中对人类健康极为不利,癌症和细胞损伤的风险将会因此大大增加。

作者解决这个问题的方法很简单——用5米厚的土壤层和水包围整个栖息地。在他们的模型中,辐射屏蔽层由水与土壤层组成,水层夹在表层土壤之间。辐射屏蔽层即保护罩位于圆柱形栖息地的外部,其上覆盖有太阳能电池板来为栖息地供电。选择水与土壤作为屏蔽层的主要原因是这些材料很容易获得——从引力相对弱的天体(如小行星和月球)上可以获得大量的土壤和水。我们已经知道,这种组合可以有效阻止宇宙射线和太阳辐射。


可持续农业


除了阻止任何潜在的辐射风险外,防护罩还能帮助维持生命系统,它通过非常缓慢的旋转来消除整个栖息地结构上的温度不均匀。作者通过计算得到:一个0.2转/分的防护罩,以及在栖息地侧面附加的一个大面积“散热器”,可以在栖息地内实现大约300K(27℃)的内部温度。这一温度将非常适宜栖息地中的非人类居住者——比如植物的生存。栖息地的农场将被放置在圆柱体的两端,呈圆锥形,顶部是透明的玻璃天花板。他们还将使用微微倾斜的巨型镜子,将阳光均匀地反射到农作物表面。

“太空村一号”栖息地的整体结构示意图。注意主结构中间的张拉整体弦和散热器。Credit: Muhao Chen et al.


栖息地承载力

作者通过计算得出,空间站的每个居住者需要大约300平方米的农田来支撑他们的日常消耗。随着栖息地扩大到半径224米(52层,层高4米,以及最里面的半径20米的圆柱体),将有足够的农作物和生活空间来容纳8000人。但是这个栖息地一开始并不能养活所有人,作者将栖息地最中心的20米直径的圆柱体作为“种子”模块,其他圆柱层将以此模块为基础进行扩张。这个扩张建造过程将使用一种成熟的机械工程技术——张拉整体。

NASA使用张力整体原理建造的机器人。Credit:NASA/Adrian Agogino&Vytas Sunspiral

张力整体(Tensegrity)是Buckminster Fuller创造的一个复合词,用来描述一个由钢筋和细绳交织而成的系统,其中钢筋被压缩,弦被拉紧,它可以让设计师建造一些真正令人难以置信的建筑。


商业价值

在太空栖息地方面,张拉整体技术允许设计者制定一个6步扩展计划。该计划可以无限期重复,而无需随着栖息地的扩展而关闭生命支持系统。每一次扩建都允许在建筑群中增加一个额外的圆柱体,并在不破坏已有圆柱体中居民的生活的情况下,增加大量额外的居住空间。这种可扩展性将使任何使用这种系统的结构比必须保持单一形状的栖息地更具经济意义。这一经济因素是未来任何太空栖息地设计中极为重要的一部分,因为它将是更广泛地扩展空间基础设施的主要驱动因素。

另一种利用圆柱形栖息地的有趣特性而获得经济价值的方法是,圆柱体的中心可以充当“零重力车间”,允许居住者进行在重力井中很难或不可能完成的工作,例如加工原材料或开发新型药物。

空间站的3D打印模型。Credit: Muhao Chen et al.

中央圆柱也可以在另一个经济驱动力——旅游中发挥重要作用。设计师们设计了一个中央开放空间,几乎完全用于公园。这部分是为了长期居住者的情感和心理健康服务的,但也可能成为主要的旅游景点。这将特别有用,因为旅游可能会成为早期太空栖息地的主要经济驱动力之一。

太空旅游确实还有很长的路要走,虽然发射成本在持续下降,但在我们拥有开采小行星或月球的基础设施之前,不太可能建造任何主要的太空栖息地。同时,我们可以继续研究新的想法,并最终可能会付诸实施。

翻译:奔跑的火车

感谢Universe Today授权翻译。原文见:

https://www.universetoday.com/147882/design-for-a-space-habitat-with-artificial-gravity-that-could-be-grown-larger-over-time-to-fit-more-people/

责任编辑:杨玉露)

(版权说明,转载自:墨子沙龙公众号)