《太空居民》這本書的作者是美國著名科普作家、科學(xué)記者克里斯托弗·萬杰克，在書中系統(tǒng)性地分析了限制人類進(jìn)入太空的因素，以及人類定居太空所面臨的挑戰(zhàn)，并探索了未來太空旅行可能的模式，幫助我們對(duì)太空旅居有更加清晰的認(rèn)知。

第一部分、我們?yōu)槭裁匆ヌ眨?/h1>

現(xiàn)代宇宙航行學(xué)奠基人，蘇聯(lián)航天之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基曾經(jīng)說過：“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。”地球上的空氣、水、陽光、溫度、大氣壓力、重力、宇宙射線等元素都是獨(dú)一無二的，經(jīng)過十?dāng)?shù)億年的演化，地球上的生命已經(jīng)完全適應(yīng)了地球的環(huán)境，人類一旦離開地球，生命將遭受極大的威脅。那么人類為什么要冒險(xiǎn)去太空呢？

太空活動(dòng)倡導(dǎo)者認(rèn)為，目前地球面臨著嚴(yán)峻的人口過剩和資源不足的問題，如果人類能夠探索和開發(fā)太空，拓展生存的空間和資源，此類難題將迎刃而解。其次，地球并不是絕對(duì)安全的生存家園，宇宙中的近地小行星，持續(xù)威脅著地球上的生命。還有一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的威脅，那就是氣候變化。氣候變化正影響著全球，極端天氣、全球變暖威脅著人類生命安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水源等各個(gè)方面。

人口資源不匹配、天災(zāi)人禍、小行星威脅、氣候變化等因素時(shí)刻威脅著人類在地球上的生活，不過這些問題還無法迫使或鼓勵(lì)人們立刻去太空定居。作者認(rèn)為人類之所以要去太空，是因?yàn)樘剿鞯挠?/p>

第二部分、太空旅行所面臨的挑戰(zhàn)。

離開了地球的保護(hù)，人類不得不面對(duì)高能粒子輻射、重力不足、空氣缺失、壓力和溫度等威脅，甚至由于長期居住在狹小的空間而出現(xiàn)精神疾病。

人類已經(jīng)完全適應(yīng)了地球上的重力環(huán)境，如果失去重力，我們骨骼里的鈣會(huì)流失、肌肉會(huì)萎縮、血管扭曲變形導(dǎo)致眼睛最終失明?？茖W(xué)家嘗試通過藥物、加壓護(hù)腿等方案進(jìn)行調(diào)節(jié)，然而只能緩解失重所帶來的影響，并不能完全避免，目前唯一可行的解決方案是制造和地球重力環(huán)境相當(dāng)?shù)摹叭嗽熘亓Α薄?/p>

有兩種輻射會(huì)威脅人類的太空活動(dòng)：太陽輻射和宇宙輻射，這些輻射都源自帶電粒子組成的等離子?，F(xiàn)有的宇航服還不足以支撐宇航員長期暴露在宇宙射線中，這種無處不在的輻射緩慢地影響著宇航員的安全和健康。如何減少宇宙射線的影響呢？最新的研究發(fā)現(xiàn)，氫化氮化硼納米管能夠在承受巨大熱量和壓力的情況下，有效阻隔宇宙射線，可以作為未來航天器的主要材料。歐洲核子研究組織還研發(fā)了一種人造磁場，它的強(qiáng)度是地球磁場的3000倍，可以保護(hù)飛船內(nèi)外的宇航員。

大氣層將地球的溫度保持在剛好合適的范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)溫度的循環(huán)變化。像月球這種沒有大氣層保護(hù)的天體就沒有這么幸運(yùn)了，由于沒有大氣層來保持空氣、產(chǎn)生風(fēng)，并使熱量循環(huán)起來，在太陽照射和照射不到的位置之間，月球的日夜溫差可達(dá)幾百攝氏度。大氣層還可以提供壓力，合適的壓力使得液態(tài)水無法自由膨脹為氣態(tài)。目前人類主要依賴于宇航服和航天器的保護(hù)，來維持在太空的壓力和溫度。

第三部分、如何進(jìn)入太空？

要進(jìn)入外太空，航天器必須擺脫地球引力的束縛，先進(jìn)入地球軌道。航天器需要被加速到每秒8千米，才可以保持在近地軌道飛行，要讓火箭能夠獲取足夠的速度，通常需要大量的化學(xué)燃料。

齊奧爾科夫斯基推導(dǎo)出來的著名的“齊奧爾科夫斯基”火箭方程式是現(xiàn)代航天的基石。根據(jù)這個(gè)方程式，要想降低進(jìn)入太空的成本，要么提高燃料效率，要么減少質(zhì)量?，F(xiàn)代的火箭為了減少質(zhì)量，已經(jīng)采用輕質(zhì)材料制作而成，并且通過分級(jí)火箭的設(shè)計(jì)，在飛行過程中將空的燃料罐拋掉，沒有更多的質(zhì)量可以縮減了。那么我們只能從提升燃料效率和運(yùn)送工具設(shè)計(jì)上做文章了。

目前發(fā)射火箭主要采用液體氧和煤油、液體氫等的混合物作為燃料推進(jìn)劑，這類燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣速度已經(jīng)達(dá)到極限的每秒4.4千米。科學(xué)家們不斷地研究新的燃料推進(jìn)劑，哈佛大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了制造金屬氫氣的方法，將金屬氫氣作為燃料推進(jìn)劑的話，可以將火箭排氣速度提升到每秒16千米。如何穩(wěn)定地生產(chǎn)和存儲(chǔ)金屬氫氣，是當(dāng)下亟需克服的工程難題。

除了金屬氫氣，核燃料由于威力巨大、小巧廉價(jià)，是一個(gè)很好的燃料選項(xiàng)，核動(dòng)力的潛能是驚人的，理論上核動(dòng)力可以把航天器的速度提升到每秒數(shù)百公里，然而由于擔(dān)心發(fā)射過程中輻射的危害，人類到目前為止尚未投入使用。

除了提升燃料效率，人類也在運(yùn)送工具設(shè)計(jì)上不斷地推陳出新，有已經(jīng)成熟應(yīng)用的SpaceX的可回收火箭、正在商用的太空飛機(jī)，還有充滿科幻色彩的天鉤、太空電梯等方案。

SpaceX開發(fā)了可部分重復(fù)使用的獵鷹1號(hào)和獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭，對(duì)火箭重要部件進(jìn)行改造優(yōu)化，成功地讓火箭助推器穩(wěn)定著陸，并經(jīng)過短暫的檢查和維護(hù)，在幾個(gè)星期內(nèi)重復(fù)使用。

藍(lán)色起源公司的亞軌道航班，以及維珍銀河公司的“太空船2號(hào)”太空飛機(jī)，它設(shè)計(jì)了一種特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)，在低空時(shí)從大氣中吸入氧氣進(jìn)行燃燒，在到達(dá)高海拔、空氣更稀薄的高度后，切換到儲(chǔ)存的火箭燃料進(jìn)行燃燒推進(jìn)。這種巧妙的設(shè)計(jì)思路，能夠讓太空飛機(jī)可以以較低的成本，獲取更舒適的空間，提供類似商務(wù)客機(jī)的太空旅行體驗(yàn)。

齊奧爾科夫斯基在19世紀(jì)末提出了“太空電梯”的概念，首先向36000千米高的地球靜止軌道發(fā)射一個(gè)平臺(tái)，然后通過纜繩向下延伸并鏈接到地面，將人或者貨物放在太空電梯里，通過太陽能電池板轉(zhuǎn)化的太陽能將電梯運(yùn)送到平臺(tái)。目前改方案還面臨技術(shù)可行性、電梯安全等各方面的挑戰(zhàn)，我們?cè)诘厍蛏蠋缀醪豢赡軗碛刑针娞荨?/p>

受到太空電梯的啟發(fā)，有人提出了“天鉤”系統(tǒng)：在近地軌道的平臺(tái)上鏈接一個(gè)纜繩和一個(gè)鉤子或者磁鐵，鉤子或磁鐵不需要固定在地球表面，而是通過纜繩懸掛在大氣層邊緣。通過熱氣球或者太空飛機(jī)將裝滿貨物或人的太空艙吊在天鉤上，然后再拉到近地軌道的平臺(tái)上。昂貴的資金投入，阻礙了這個(gè)方案的實(shí)施。

第四部分、如何在太空中定居生活？

月球上有生命之源——水，人類在月球上生活依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。月球的重力只有地球的六分之一；稀薄的大氣層，大約只有地球的十萬分之一，基本相當(dāng)于真空，晝夜溫差高達(dá)幾百攝氏度。由于缺少大氣層和磁層的保護(hù)，宇宙輻射時(shí)時(shí)刻刻威脅著生命，因此月球基地必須建在地下，或者在表面覆蓋超過兩米厚的月球土壤，才能保證人類免于輻射傷害。還有一個(gè)最為關(guān)鍵的問題，月球上的一天相當(dāng)于地球上的一個(gè)月，漫長的黑夜將極大地限制地球植物的生長。

現(xiàn)有的技術(shù)條件下，月球在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)并不適合人類長期定居，作者認(rèn)為未來月球會(huì)是集科學(xué)探索和工業(yè)園的發(fā)展模式。我們可以在月球建立科研基地，讓科學(xué)家們依靠地球的物質(zhì)運(yùn)輸補(bǔ)給，對(duì)月球進(jìn)行深入的科學(xué)研究。月球含有兩種地球上的稀有資源：氦和稀土礦物，如果未來機(jī)器人采礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟，人類還可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人來完成挖礦，甚至就地加工。

既然月球并不適合人類長期定居，我們將目光轉(zhuǎn)向另外一個(gè)太空定居的熱門——火星。

在太陽系的固態(tài)天體中，只有火星能夠提供適當(dāng)?shù)闹亓皽囟龋⑶覔碛腥祟惿嫠璧乃谢瘜W(xué)元素。火星的重力大約為地球的38%，重力影響可能沒有那么極端；火星的白天溫度最高可達(dá)20攝氏度，夜間溫度降低至零下100攝氏度，這與地球南北極類似。世界各國航天機(jī)構(gòu)研發(fā)的裝置，能夠在火星的巖石中提取氧氣和水，也可以將火星大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣和燃料甲烷?；鹦怯兄偷厍驑O為相似的晝夜周期，因此在火星上種植農(nóng)作物的難度大大降低，科學(xué)家已經(jīng)模擬火星土壤中的農(nóng)作物種植，洋蔥、大蒜、生菜、芝麻、紅薯、甘藍(lán)等多種作物都長得很茂盛。

為了解決火星大氣壓力的問題，科學(xué)家提出了火星“地球化”的設(shè)想，通過在火星上建立一座生產(chǎn)溫室氣體的工廠，向火星大氣中釋放溫室氣體，給火星制造出一個(gè)大氣層。

探索月球和定居火星所積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，將幫助人類更大膽地造訪其他星球；隨著航天科學(xué)的不斷突破，人類必將前往更宜居和發(fā)展文明的恒星系，穿梭于無垠宇宙！