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重力水平从0G到1G与健康的关系
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我们有两个已知的数据点：0G（ISS的重力）对你的健康有害，1G（地球上的重力）对你的健康有益。但这两个点是怎么连接起来的呢？是直线连接（实线）吗？还是说有一条凹线（虚线）将两点连接起来？也许只有一点重力，如0.2G，就足够了。或者凸线（点划线），甚至0.9G也不能保证足够健康。甚至也有可能，0.5G对我们的健康更好，特别是对老年人（点线）。月球以及木星、土星的各种卫星的重力大约是0.16G。火星的重力大约是0.38G。我们可以住在这些地方吗？我们还不知道。
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我们不希望在太空中0G的地方定居，所以在我看来，正在ISS进行的关于微重力和健康的研究几乎毫无用处。我们得到的经验教训就是：要尽快摆脱零重力环境。可能会有一些工作需要在0G的环境中完成，比如太空旅游或建设。因此，ISS的研究最多可以指导我们确定暴露在0G环境中的限度，这个限度应当不会超过几个月。然而，与太空旅行中的心理负担或辐射问题相比，重力更为关键，它决定了我们能否移民太阳系。如果我们不能在0.38G（火星上的重力）的重力环境下生存繁衍，那么我们到邻近行星上定居的游戏也就结束了……除非你不切实际地期待未来会有人造子宫在离心机里不停地转动，或者用无限能量产生超密度物质添加到行星或月球的核心来增加其重力。下文将指出，辐射可以阻挡，心理上的困难可以 克服，但不可能以任何切实可行的方式增加行星引力。
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你可能会认为，美国、俄罗斯、中国或欧洲的航天机构已经测试了0.16G和0.38G对于健康的影响。在地球上，你不可能以任何长期、有效的方式做到这一点。没有抵消重力的机器，生活在水下与生活在重力降低环境不是一回事。为了测试更低的重力水平，我们需要在太空建造一个巨大的旋转轮，但不会比建造空间站更加复杂。离心力，或称自旋力，可以模拟重力。想象一个装了一半水的水桶。如果你把水桶转得足够快，就像风车一样一圈又一圈地转动，水就会保持在桶里，即使在你头顶上方也不用担心被水淋湿。当放慢旋转，水就会浇到你身上。但是如果保持一个稳定的速度，那么请看，人造重力就可以阻止水从桶里溢出。
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在太空中零重力环境下，同样的原理也适用。如果足够快地旋转你的栖息地，那么你感受到的那个把你固定在地板上的力就相当于重力的感觉。这方面的数学原理很简单。你所感知到的力——伪装成重力的离心力——与旋转速度以及旋转轴长度有关。换句话说，这个力的大小取决于它旋转的角速度及其圆形轨迹的长短。小的飞船需要快速旋转，转到令人眼花缭乱的程度。再想一下那桶水，或者在游乐园里乘坐的摇摆轮。你需要以相当快的速度旋转一个物体，才能制造出那种被锁在原地的感觉。但是如果你有一个甜甜圈形状的空心圆环，大小类似于足球场（大约ISS的大小），那么你就可以以每分钟4圈的转速产生类似于地球的重力。
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方程并不复杂：a =ω2r 。其中a 是线性加速度，在这里指你将拥有的重力水平，在地球上相当于9.8米/秒2 的加速度；ω （欧米伽）是角速度或转速；r 是半径。从中，你可以看到半径和转速的平方成反比。这个系统的美妙之处在于，你可以通过调整旋转栖息地的转速来精确模拟火星或月球的重力。你可以一年都把它设成0.38G，看看兔子或鲶鱼能否成功交配。如果可以，那么你就有了在火星上可以快速繁殖的蛋白质来源。当然，你也可以在这样的重力水平上仔细观察人类，看看我们是否也能生长和繁 殖。争论在于以多快的速度旋转人类才不会感到晕眩，似乎每分钟不能超过4圈。不过，速度越慢越好。
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那么，为什么我们还没有试验过人造重力呢？主要原因是，NASA将ISS视为微重力研究的太空实验室，而不是太空移民的踏脚石。[4] 有些事情对于微重力实验室来说很有吸引力。在微重力环境下，你可以完成一些有可能对人类健康很重要的任务，如更好地结晶某些蛋白质并研究其分子结构，这可能会产生新的药物，尽管ISS的研究至今还没有研发出实用药物。你也可以用独特的方式研究流体行为和材料科学；但同样，这些研究至今也没有产生任何商业价值。在组建ISS的过程中，我们毫无疑问学会了如何在太空工作，这对于更加宏大的太空建设项目来说是至关重要的一课。不过仅此而已。就算你全力查找，也不会从微重力研究中找到更多的好处。NASA鼓吹的有益于地球人类的所有好处或许有用，但实际上都是与微重力本身无关的副产品技术：更好的水/空气过滤技术、便携式超声设备、小型化技术，以及现在用于手术的精密机械臂。
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NASA对于ISS的最初设想，在2001年其网站上的一篇文章里说得很清楚（NASA网站上已经没有这篇文章了，但幸运的是，这篇文章保存在了互联网存档回溯机上）：
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我们目前并不寻求在太空中建设人造重力。NASA和其他机构更愿意在微重力或自由落体环境下工作。在此环境下可进行许多不同寻常的实验和流程。空间站是全球唯一的大型、长期、无重力科学实验室，可以开发神奇的新材料、新药物、新食品等。也许有一天人们可以在轨道上停留的时间更长，我们会考虑通过快速旋转空间站（或旋转其中一部分）来产生一些重力，帮助宇航员保持骨骼的强健，并解决长期失重带来的其他问题。但不是今天。 [5]
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不是2001年的“今天”，也不是20年后的今天。2005年，ISS的美国部分被指定为国家实验室，正是这种思想的反映。将该舱段指定为国家实验室的目的，包括推进STEM[6] 教育，与私人机构合作进行微重力环境实验。近年来，出于送人上月球或火星的压力，NASA改变了对ISS的态度，更多地从人类健康的角度看问题。最近的舆论导向是：ISS通过研究如何对抗微重力对人体的不良影响，有助于我们把宇航员送到这些目的地。ISS每年的运营成本高达数十亿美元，如果仅仅是研究蛋白质晶体的话，这笔开销就太大了。目前只进行了微重力方面的研究，关于月球或火星的部分重力环境对人类的影响仍缺乏研究。
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一种想法是仅在ISS上增加一个舱，它可以旋转并产生自己的人造重力，而不干扰ISS的其他部分。日本宇宙开发事业团（National Space Development Agency of Japan，NSDA）建造了一个4.5米宽的旋转圆柱体，名为离心住宿舱（Centrifuge Accommodations Module，CAM），能够为小型动物和植物提供各种水平的人造重力。原计划安装在ISS的“和谐号”节点舱（Harmony module）上，但由于ISS成本超支，该项目于2004年被取消。离心住宿舱现在陈列在东京以北大约1小 时车程的筑波航天中心的一个停车场里。一朝被蛇咬，十年怕井绳。日本后来为ISS上的日本“希望号”实验舱建造并发射了一台规模小得多的离心机，名字叫作多种人造重力研究系统（Multiple Artificial-gravity Research System，MARS），以免再被NASA的取消办公室取消。人们将小鼠暴露于0G或1G环境下共35天。1G离心机里的小鼠，其骨密度和肌肉重量与地面对照实验小鼠的相同，证明了旋转栖息地的设想可行。[7] 这是小鼠的一小步，人类的一大步。
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俄罗斯联邦航天局要对这一设想加以扩展。俄罗斯工程师正在设计一种充气式可旋转太空舱，将于2025年之前连接到ISS的俄罗斯舱段“星辰号”服务舱（Zvezda）上。目前的计划还很粗略。所以，没什么可报道的。总部位于美国的毕格罗空间系统公司（Bigelow Space Systems）也计划建造自己的可充气、可旋转的太空舱（详见第3章）。
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有趣的是，NASA所有在轨太空栖息地的原始计划都要求旋转和人造重力。但这些栖息地从未投入建设，因为用1970年左右的技术建造它们太昂贵了。天空实验室（Skylab）是NASA首次尝试在轨道上建造的栖息地。天空实验室有一个圆形空间，宇航员可以在里面绕着圈跑步，体验0.5G的重力。到20世纪80年代，在太空中建造大型设施具备了可行性，NASA却放弃了人造重力路线，刻意选择了微重力。时至今日，尽管人们知道微重力会使人体变得虚弱，但NASA似乎并不打算改变计划。
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尽管会增加火星任务的成本，但许多航天工程师都在倡导能提供0.5G以上重力的航天器。只有达到了这个重力，宇航员在火星表面走出航天器时才不会摔断腿。21世纪初提出的一种名叫“鹦鹉螺-X”（Nautilus-X）的任务航天器，把一个基本航天器与一台快速旋转的离心机结合起来，宇航 员可以在0.5G的环境中睡觉或休息，从而大大减少他们暴露在0G环境下的时间。但是NASA除了最初的图纸和建议，从未有其他进展。罗伯特·祖布林（Robert Zubrin）在他1996年出版的《赶往火星》（The Case for Mars ）一书中，提出了一个简单的、可自行翻转的空间系绳系统（详见第6章）。
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最后的结论是，长时间暴露在零重力环境下，不可能通过药物、加压护腿进行调节，唯一可行的解决方案是制造人造重力。NASA如此关注安全和健康，却几乎没有考虑过解决方案，真是太难理解了。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 太阳辐射
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有两种辐射会困扰太空旅行者：几乎可控的太阳辐射，以及更具威胁的宇宙射线。
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太阳辐射来自太阳的能量。辐射是一个广义术语，是指能量的传输。大多数形式的辐射是无害的，但也不能赋予生机；而某些形式的辐射则能夺走生命。太阳发出的能量几乎覆盖整个电磁频谱，从波长长、能量低的微波和无线电波，到红外线（提供了地球一半的热量），到可见光，再到波长短、能量高的紫外线（UV）和X射线。太阳在太阳风中会释放粒子，科学家称之为辐射，因为它们确实携带能量。这些粒子是质子、电子、中微子和其他亚原子物质。
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地球沐浴在太阳的辐射能中，我们显然从中受益。但是我们被宠坏了。在地球上我们受到了很大 程度的保护，基本上不会受到太阳辐射中那些更致命、能量更高的成分的影响。有害物质——太阳粒子、X射线和能量极高的紫外线（紫外线的作用更像粒子而不是波）很少能够到达地球表面对我们造成伤害。它们要么被地球磁层改变了方向，要么被大气层所阻挡。不管这听起来多么矛盾，但事实是到达地球的只有低能辐射。在太空深处没有这样的保护措施，除了宇航服和你旅行过程中待在里面的铁皮盒子。
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有些人把所有辐射都与危险联系在一起，但通常只有电离辐射才是致命的：这种辐射的能量非常大，能把一个电子从它的原子中释放出来，使其离子化。原子电离后会变得不稳定，更容易产生反应；在生物学领域，可表现为DNA复制中的化学键断裂和突变。在大多数情况下发生这样的事情很糟糕。微波、无线电波、红外线和可见光都不属于电离辐射。你可以把它们想象成马勃[8] ：你把几百万个马勃扔到窗户上，也永远不会把玻璃打破。然而，高能紫外线和所有X射线都属于电离辐射，太阳风中的粒子也是。把它们想象成高尔夫球。只要一个就能打破那扇窗户。
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通过市场上各式各样的防晒霜，你肯定知道紫外线辐射及其危害。根据能量或波长，紫外线辐射可分为三种形式。能量最低的被称为UVA，它会导致皮肤产生皱纹、晒斑和其他类型的过早老化。来自太阳的UVA很容易到达地球表面，即使是在阴天；它不属于电离辐射，没有致命性。能量稍强一点的是UVB，它已经跨过了电离的门槛。UVB会导致皮肤晒伤和皮肤癌；UVB大多被地球的臭氧层所吸收，甚至由云层吸收，但显然也有很多能穿透进来（我们却又需要一点UVB来启动皮肤中的化学反应，生成维生素D）。紫外线中 最具能量和危害的形式是UVC，幸运的是，臭氧层和大气层能够将其完全阻挡。电焊枪会释放出这种物质，如果你不加保护地盯着它看，很快就会失明。比UVC更具能量的是X射线，它能轻易穿透皮肤等软组织。我们上方几千米厚的大气也帮忙阻挡了太阳的X射线，跟牙医办公室铅围裙的作用有点类似。
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