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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036945]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 冰上生活
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南极洲是地球上最后一块尚未被开垦的大陆。没错，有人在那里生活，在几乎没有阳光的冬季有1000人左右，夏季4000人左右，12月到来年2月之间达到高峰。但是没有永久居民。有些人会待上一两年，在几乎或完全黑暗的6个月的时间里维持科学基地。然后他们就会回家。在过去几十年，有数个国家在南极建立了捕鱼定居点。这些定居点也不是一直有人居住。根据《韦氏词典》（Merriam-Webster ）的定义，只有当南极洲有“一群人生活在新的领地上，但仍与母国保持联系”，南极洲才有可能成为“殖民地”。但没有人在那里养家糊口。在我看来，相较于科学前哨站或工作场所，“家庭”这个概念是对殖民地更完整的定义。在我的书中，殖民就是建立一个社区，成年人可以在那里生活、工作、养家糊口，说得很直白。
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我跟大家说一说阿根廷和智利是如何对外宣布对南极洲拥有殖民权的。这件事可能不重要。为了确保他们对南极洲土地的权利，两国在南极大陆各建立了一个民用基地，这是非民用科学前哨站中唯一的两个民用基地。智利人将他们的基地［星星别墅（Villa Las Estrellas）］称为城镇。智利人可能会在那里过冬，维持附近的非民用科学基地，但他们在那不会停留超过几年。1977年，阿根廷在埃斯佩兰萨站（Esperanza Base）安置了五个家庭；1978年，埃米利奥·帕尔马（Emilio Palma）成为在南极大陆出生的第一人。该“殖民地”更多的是噱头或白日梦，而非现实。它很快就解散了。南极洲还有八座教堂：四座天主教教堂，三座东正教教堂，一座无教派基督教教堂。然而，牧师和其他工作人员一样，只待一两年。
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谁会去南极洲？这些人与去往月球的人是同一类型：科学家、工程师，以及寻求冒险或逃避的穷光蛋，还有富有的游客。有些会待上几个月，有些会待上几年维持基地。大约有30个国家在南极洲拥有70个科考站，其中45个全年运行。到目前为止，最大的是美国主导的麦克默多站（McMurdo Station），夏季约有1200人，冬季约有250人。南极大陆上的科学研究从天文学到动物学都有。在南极洲进行的一些实验，在地球上其他任何地方都无法进行得那么好。在这些科考站中包括冰立方中微子观测站（IceCube Neutrino Observatory），它可以观测到称作中微子的几乎没有质量的基本粒子。人们在这些粒子穿过南极1000米厚的纯冰时对其进行观测。另外，通过分析深埋在冰层中的二氧化碳和其他分子，我们还可以研究地球将近100万年前的气候。沃斯托克湖（Lake Vostok）是一个极其诱人的地方。这是一处位于地球最寒冷地区4000米厚冰层下的液态湖泊。科学家曾尝试采集湖水，他们在水样中发现了生命存在的证据，但也有可能是样品受到了钻头上细菌的污染。沃斯托克湖已经冰封了数百万年，可能就像木星的卫星木卫二（Europa，欧罗巴）和土星的卫星土卫二（Enceladus，恩克拉多斯）上被冰层覆盖的海洋一样。如果冰层下面有生命，那么在这些卫星上存在生命的可能性也会增加。
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南极洲也是最容易找到火星陨石的地方，因 为那里一切都是白色的，深色的火星陨石很容易被发现。其中一颗陨石叫艾伦·希尔斯84001（Allan Hills 84001），它所包含的结构看起来像是微小的外星人化石，但大多数科学家认为相关证据并不令人信服。
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2014年4月，南极研究科学委员会（Scientific Committee on Antarctic Research）召集了来自22个国家的数十名科学家和决策者，为未来几十年的南极研究确定优先事项。该小组确定了6个优先事项，包括气候学和天文学。[22] 冰上科学的一个自然副产品，就是提高了人们对极端环境下生活、工作的认识水平，而这些知识可直接应用于在月球和更远地方的生活。想想那些冬季在阿蒙森-斯科特站（Amundsen-Scott South Pole Station）工作的50位强者的生活吧。太阳在3月22日左右下山，一直到9月21日才会再次升起。在这段时间里，没有人来，也没有人走。从2月中旬到10月下旬，没有飞机，因此物资无法空运进来；天气实在太恶劣了，无法飞行。气温下降到接近-73℃（-100℉）。狂风撕扯着为避免被积雪掩埋而抬高的南极基地。在户外工作，尤其是在黑暗的冬季，需要的装备又厚又笨重，就像穿着宇航服一样。
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南极设施内的生活可以很舒适，但在漫长的冬季有点单调。阿蒙森-斯科特站的越冬人员相对较多，这有助于保持站内的活力。俄罗斯人管理的东方站（Vostok），在冬天只剩下13人。挪威的托尔站（Troll）只有6名骨干成员。这些都是“火星任务”式的人数。在这种令人难以忘怀的隔离状态下保持礼貌和工作效率，可以学到很多东西。有互联网是一件幸事，但连接可能既慢又不可靠。
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保持情绪高涨的一个要素是食物，尤其是新鲜食物。我在2005年为国际劳工组织撰写的有关工作场所膳食计划的书中，描述了麦克默多站的餐饮服务。[23] 和其他南极基地一样，新鲜食物是在11月至次年2月的夏季高峰期，大多是从新西兰空运到麦克默多站的。生活是美好的。这里的食物美味而且免费。因为管理层明白，在偏远的工作场所吃上一顿好饭可以鼓舞士气，这是他们从世界各偏远地区采矿作业中学到的经验。然而，在冬天供应新鲜食物却相当困难。至少有7个月的时间，新鲜食物无法送达。冬季，工作人员必须依靠干制、罐装以及冷冻食品生存。这类食物往往缺乏新鲜蔬菜那种脆生生的口感，缺乏一种心理上的愉悦。
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菲尔·萨德勒（Phil Sadler）是一名机械操作工，也是一位“万事通”，拥有植物学背景。20世纪90年代，他开始在麦克默多站进行室内水培温室试验，为站里提供新鲜食物。水培温室最后发展成为一间200平方米的温室，在隆冬季节每月可生产超过145千克的食物，如绿叶蔬菜、西红柿、黄瓜、草莓和甜瓜，所有这些食物都是在LED灯下种植的。该温室一直维持到2013年。那年，美国国家科学基金会（National Science Foundation）开通了飞往麦克默多站的冬季航班，新鲜食物可以空运进来，对温室的需求也就不存在了。阿蒙森-斯科特站仍然有一间温室，确切地说是一间生长室，完全依靠人工照明，而不是太阳光。这间温室也是萨德勒建立的，然后他与亚利桑那大学受控环境农业中心（Controlled Environment Agriculture Center，CEAC）的同事进行了拓展。《南极条约》禁止 进口土壤，因此所有植物都是水培的。不管怎样，水培法是一种可在有限空间内种植各种蔬菜水果的很不错的系统，前提是要有足够的能源来提供照明。
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从太空看到的南极洲
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这片冰雪覆盖的大陆，其面积几乎是澳大利亚的两倍，但居民不到4000人，而且都是临时的。火星更冷，更干燥，而且缺乏可供呼吸的氧气和合适的气压。人类会不顾挑战，选择在火星定居吗？
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萨德勒生机勃勃的温室试验，最初是用一些边角料完成的。这些试验在世界上最恶劣的环境中取得了巨大成功，因此萨德勒和其他研究人员正在为地球其他边远地区开发自动化系统——显然也考虑到了太空。萨德勒和受控环境农业中心已经有了一个成熟的月球-火星温室原型，可以生产1000千卡的热量和一个人每天所需的氧气。这部分内容我将在第4章详细讨论。回到冰上后，德国人安装了一间船运集装箱大小的生长室，在人工照明下种植植物，不需要土壤。由欧洲发起的这项计划由阿尔弗雷德·韦格纳研究所（Alfred Wegener Institute）的亥姆霍兹极地与海洋研究中心（Helmholtz Centre for Polar and Marine Research）领导。2018年1月，用于太空安全食物生产的植物栽培技术地面示范实验室（Ground Demonstration of Plant Cultivation Technologies for Safe Food Production in Space，EDEN ISS）被送往德国诺伊迈尔3号站（Neumayer III），作为在沙漠、地球低温地区以及未来人类登陆月球和火星任务中种植作物的试验田。到2018年8月，在南极的隆冬季节，EDEN ISS每周可生产几千克西红柿、黄瓜、甘蓝、萝卜和其他蔬菜，供那里的10名工作人员食用——相当于大约每周每人一份沙拉，或满足大约10%的热量需求。也出现过一些问题，比如风暴导致电力中断并损坏了一部分系统。但站里的工作人员对它们进行了修复。在火星上也要做这样的工作。[24]
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最早将于2030年建立起来的月球科考站，看上去会跟南极的一样：那些从事天文、太阳物理、地质和材料科学研究的无畏的研究人员，为商业开发和最终的旅游业奠定了基础。他们将尽量减少户外活动时间，主要工作和生活在狭窄的栖息地，食物从地球运来，辅以在人工照明的月球温室里种植的蔬菜。水将从月球当地的资源中获取。工作人员可能会在 那里待上几个月到几年。巧合的是，建立月球基地的最佳地点之一将是月球的南极（我将在第4章关于月球的内容里对此进行详细叙述）。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 海底生活
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尽管南极洲的环境恶劣，但这片冰封的大陆仍然有一样东西是月球和火星所没有的，那就是空气。当我们进入太空时，我们需要携带空气，或者以其他方式制造空气——不仅是为了呼吸，也是为了给宇航服加压。这是生活在地球之外的另一项挑战。
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然而，地球上有一个地方与深空完全一样。这是一个脱离尘世的环境，完全黑暗，低温，异常的环境压力，没有自然供应的可供呼吸的氧气，狭窄的空间，令人恐惧的与世隔绝，与其他任何人联系的能力有限——在这里你和其他艇员要自己发电供照明和设备使用，自己制造供呼吸的空气和供饮用的水，并且要保持食物供应的完善。我所指的环境就在地球海洋深处的核潜艇上。
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核潜艇上的生活是最接近在月球、另一颗行星或太空航行生活的例子。核潜艇上的人们一直与四周的恶劣环境进行着生死搏斗。这样说一点也不夸张。这是一种痛苦的、让人心惊胆战的生活。任何一次事故——火灾、失压、船体泄漏、气体泄漏——都可能导致全体艇员死亡。发生在海底一英里处的灾难如同发生在太空数百万英里处的灾难一样神秘莫测。
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第一艘核潜艇的设计者肯定没有考虑过太空定居的问题，但这些潜艇包含了太空生活所需要的所有技术。通过这些技术的使用，我们学会了如何在一个完全人工、自给自足的环境中生活。事实上，这些潜艇是有史以来最为复杂的工程杰作之一。它们的核心是一台结构紧凑的核发动机，在不添加燃料 的情况下可为潜艇及其所有子系统的运转提供25年的动力。第一艘核潜艇是1954年命名的美国海军“鹦鹉螺号”（Nautilus）核潜艇，可以用4千克核燃料航行10万千米，相当于环绕地球2.5圈。美国海军“宾夕法尼亚号”（Pennsylvania）是目前服役的最大的核潜艇之一，它可以将17000吨重的钢架船体加速到45千米/小时以上，且仅用拳头大小的铀块就可为这艘170米长的核潜艇上的无数机器设备提供数年的动力。[25] 一次航行通常持续3个月，基本上都在水下。这艘潜艇重新浮出水面只是为了补充食物或让艇员见见家人。
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NASA正在研究核潜艇的设计，目的是探索木卫二上被冰覆盖的海洋，以及土卫六上的碳氢化合物湖泊。这些任务可能几十年后才能实现。仅仅是核裂变所提供的燃料效率，就会促使航天机构考虑应当采取什么样的类似方式为月球和火星基地提供廉价可靠的动力。在尘土飞扬的火星上获取可靠、丰富的太阳能依然是个问题，我们将在第6章进行详细阐述。而在火星之外，从遥远的太阳那里获取太阳能是很不现实的，只有核裂变才是最有可能的燃料来源（除非研发出核聚变发动机）。
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然而，从核潜艇学到的更重要的一课不是能源，而是如何利用能源：在不利于人类生活的环境中创造出一个自给自足的人工“地球”。在水下或太空生活的第一个要求是生成氧气。拥有150名艇员的潜艇，每人每天至少需要550升氧气。如果没有氧气发生器，潜艇内的氧气7天就会用完。[26] 在核潜艇上，珍贵氧气的来源之一就是周围的海水。每个水分子（H2 O）包含2个氢原子（H）和1个氧原子（O）。采用电解的方法，机器将电流加到蒸馏过的海水中从而产生氧气（O2 ），并将氢气（H2 ）释放回海洋。这个过程或许模拟了在月球和其他地方从水冰沉积物中提取氧气的过程。
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