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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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太阳释放出的原子粒子，统称为太阳高能粒子（Solar Energetic Particle，SEP），其表现与电离辐射类似，可以破坏化学键，导致癌症和其他组织损伤。然而，这些致命粒子中的大多数甚至都到不了大气层。我们的第一道防线是磁层，一个包围着地球的巨大磁场。它能使带电粒子偏转，比如带正电荷的质子（+）和带负电荷的电子（-）。我们的磁层在地球之外延伸了数万英里，保护了大多数绕地运行的卫星，包括ISS。所以，对于ISS的访客来说，这种辐射并不是一个严重问题。我应该补充一点：ISS上的宇航员处于大气层之上，但仍然在磁层内，也不会受到紫外线和X射线的很大影响，因为他们的宇航服和ISS可以提供一些保护。但这些保护也是有限度的。
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事实上，在太阳开始活动之前，一切都是可控的。太阳频繁地发出太阳耀斑，这会使太阳的亮度突然增加，并且会带来持续数小时的高剂量辐射。与此有关的一个现象是日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection，CME），类似于太阳抛射出一团团物质。两者都是由太阳磁力线重新排列引起的，导致太阳迅速释放出巨大的能量。太阳耀斑就像枪口的闪光，主要由X射线和紫外线组成。日冕物质抛射主要由粒子组成，它更像是一颗炮弹，朝一个单一的预定方向飞去。两者都能摧毁地 球的防御系统，尤其是北部和南部的最远端。那里的磁层比较薄，臭氧层也比较薄。日冕物质抛射产生了北半球和南半球的极光——北极光和南极光——太阳风里的电子与地球高层大气中的气体发生碰撞，激发这些气体并释放出能量，看起来就像霓虹灯一样。尽管看起来很耀眼，但日冕物质抛射危害巨大。1989年一次巨大的日冕物质抛射引起的磁场扰动，摧毁了加拿大魁北克省的整个电网。电容器一个接一个跳闸、断线。这不是由日冕物质抛射引发的第一次停电，也不会是最后一次。
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宇航员是一个危险的职业。有人会问人类可以承受多少电离辐射。毕竟宇航员只是一个职业，还有许多职业——矿工、放射技师、核电站员工，他们所从事的职业都有辐射风险。下面就来说说电离辐射。
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辐射可以用几种不同的方法来测量：放射性水平或物质释放的电离辐射的量，用居里（Ci）或贝克勒尔（Bq）来计量；照射量或通过的辐射量，用伦琴（R）或库仑/千克（C/kg）计量；吸收剂量，或一个人所吸收的辐射量，用辐射吸收剂量（rad，拉德）或戈瑞（Gy）计量；剂量当量，它将一个人所吸收的辐射量与辐射的医疗效果结合在一起，用人体伦琴当量（rem，雷姆）或希沃特（Sv）来衡量。虽然不是在所有情况下都准确，但一般1伦琴（辐射量）=1 拉德（吸收剂量）=1雷姆或1000毫雷姆（剂量当量）。参照美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）给出的标准，牙科或胸部X光透视的剂量约为10毫雷姆。CT全身扫描是1000毫雷姆。游览高海拔的丹佛两天，你会接触到1毫雷姆。横穿大陆的飞行通常少于5毫雷姆。每人每年的平均剂量约为600毫雷姆，其中大部分是无法避免的自然本底辐射。[9]
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美国职业安全与健康管理局规定，从事与辐射有关工作的美国工作人员的全身辐射剂量上限为每年5000毫雷姆（5雷姆）。非穿透性皮肤暴露的上限是15雷姆/年，手部暴露的上限是75雷姆/年。这么高的剂量通常是意外事故造成的。平均受辐射量最高的工种是国际航线的飞行员，他们每年会额外接收到500 毫雷姆的辐射。美国职业安全与健康管理局之所以要做出这样的规定，部分是因为接受超出底线以上的辐射量会增加患癌风险，而大多数医生认为只要处于最高限制之内，就是处于安全范围内。例如，5雷姆暴露只会使患癌症风险增加1%。当我们谈论太空生活和工作时，这些数字就显得微不足道了。宇航员在天空实验室居住数月后，接受了17.8雷姆的全身辐射剂量；“和平号”上的宇航员在一年内会受到21.6雷姆的辐射。[10] 这只是本底辐射，还没算上来自太阳的太阳风暴。
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宇航员如果处在太阳耀斑或日冕物质抛射的路径上，理论上可能会受到致命剂量的辐射。到目前为止，我们还没有遭遇这种劫难，而且值得欣慰的是，我们可以预警。我们知道太阳存在一个大约11年的太阳磁活动周期，具有太阳活动的高峰和低谷。我们大致知道什么时候会出现更多的太阳风暴和恶劣的“太阳天气”。此外，在日冕物质抛射期间，从太阳冲出的物质需要1～3天才能到达地球，地面任务控制中心有足够的时间通知宇航员寻找特殊庇护所。然而，太阳耀斑大部分是光，到达地球只需8分钟，甚至可能瞬 间发生。当距离地球较近的太阳监测卫星探测到耀斑，并将信息以光速传递给我们的时候，X射线和紫外线已经到达。尽管如此，宇航员还是可以在耀斑经过的时候，通常在一小时内，跑到或飘到庇护所。庇护所有可能是ISS或太空基地里一个防护更加完备的地方。
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一旦我们冒险越过磁层的保护罩，事情就会变得更加凶险。在月球、火星，或者去火星的漫长旅途中，宇航员就像一个个活靶子，一击即中。同样，预警能力使风险大大降低。宇航员需要将太空基地或飞船的一部分作为类似防空洞的庇护所，一个有着额外保护的地方，一旦警报来了就迅速跑到那里。请注意，防护意味着材料，材料意味着质量，而质量意味着更多的燃料和金钱。理想情况下，我们希望太空基地和飞船都有全面的辐射防护。但是在太空旅行的早期，我们可能只能设置一个小的防护室。这个地方可能覆有一层厚厚的金属，甚至覆有一层水。它们可以很好地吸收太阳粒子辐射。在火星任务中，飞船的食品储藏室就可用作防护室。
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有好几次死里逃生。1972年8月的太阳风暴如今已经成为传奇。这场风暴发生在两次阿波罗计划之间，也就是阿波罗16号乘组人员离开月球后数月以及阿波罗17号着陆前数月。弗朗西斯·库奇诺塔（Francis Cucinotta）在约翰逊航天中心担任NASA的辐射健康官员多年。据他估计，当时在月球上的任何宇航员都会受到400雷姆的辐射。[11] 大约有半天的时间流量超过45雷姆/小时，峰值达到241雷姆/小时。这样的辐射水平相当巨大，450雷姆是LD50（半数致死剂量），即短时间暴露于该水平的人中，有50%会死亡。你需要骨髓移植才能活下来。任何超过50雷姆的辐射剂量都可能引发恶心和呕吐。在150雷姆的水平下，你可能会出现腹泻、不适和食欲不振。300雷姆时，你很可能会体内出血并脱发。LD100（绝对致死剂量）是600雷姆，在这种辐射水平下，没人能存活。月球着陆器的铝制外壳可以为阿波罗宇航员提供一些保护，将他们可能的辐射暴露量从400雷姆减少到40雷姆，这是白血病和严重头痛之间的差别。
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火星离太阳的距离比地球远得多，但由于缺乏厚厚的大气层和磁层，可以预期火星表面的太阳辐射仍然是致命的。火星上的人们需要时时刻刻的保护以免受四周的太阳辐射，而且当严重的太阳耀斑来袭时，还需要一个特殊的风暴庇护所。多久一次？所谓X级别的最具能量的大型耀斑，每年大约发生10次。在火星上跳华尔兹的时候，你得时刻关注着太空气象站发布的信息，以免自己受到这些太阳耀斑的影响。天文学家推测，大约1000年前的一次极端的太阳活动烤焦了火星。如果如此大规模的太阳活动再次发生，火星上那些没有躲到地下深处的熔岩管或其他地下掩体里的人，将会死亡或严重患病。[12] NASA“专家号”（MAVEN）火星大气探测器提供的数据显示，2017年9月11日的一次太阳活动，在火星上引发了一场全星球极光，亮度比以往任何时候看到的都要高出25倍以上，火星表面的辐射水平也提高了1倍。而且这是在11年太阳活动周期的平静期发生的。
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前面我曾指出地球上每人每年的平均辐射剂量大约为600毫雷姆。根据“火星奥德赛”（Mars Odyssey）探测器的数据，在火星上这一数值可能高达8000毫雷姆。但这是你一天中大部分时间都在户外的情况下。在月球上，我们知道阿波罗14号的宇航员在9天任务期间接受了大约1150 毫雷姆，其中有33小时是在月球表面度过的。换句话说，到月球上旅行一周，接收到的辐射剂量大约是地球上一年遭受的自然本底辐射的2倍。不理想，但也不致命。如果你住在月球或火星上，可能就会知道其中的风险，对足以引发辐射病的太阳爆发保持警惕，并采取日常预防措施。也就是说，超出地球安全范围的太阳辐射风险真实存在但尚可控制，就好比一位生活在阳光明媚的澳大利亚的放射科技师，皮肤白皙却拒绝涂防晒霜。
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