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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036967]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火箭之外：太空电梯、轨道环以及通天塔
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电梯往上走，一路向上。太空电梯就像一个天钩，只有缆绳向下延伸并连接到地面。终端平台在太空深处。整个系统靠离心力拉紧。火箭方程式的发明者齐奥尔科夫斯基在19世纪末提出了这个概念。听起来很遥远，确实如此。目前还没有足够结实的缆绳可以把这个装置固定在合适的位置上。不过，让我们暂时把可行性放在一边。
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太空电梯将为我们进入太空提供迄今为止最便宜的通道，一旦系统建成，可能只需要每磅几美元。你只需要把货物系在缆绳上，就可以把它送到位于地球静止轨道的平台上。在地球静止轨道上，平台将保持在地球某一点的上方，与它下面的地面同步旋转。乘太空电梯可能需要几天时间，因为你需要爬升22000英里（36000千米）。巧合的是，这几乎相当于绕赤道一周的距离；而且，就像传统电梯一样，你爬得太快它就会不稳定。但愿电梯里没有音乐。不过，电梯爬升所需的能量微不足道。一旦到达终点，你就进入了地球静止轨道，以3千米/秒的速度移动，也就是地球的自转速度。从地球静止轨道上，只需要很少的能量就可以走得更远，通过宇宙飞船到达月球甚至火星。
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艺术家想象的太空电梯
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在距地球36000千米的地球静止轨道上，缆绳被配重或终端拉紧。这样的电梯在地球上很难建造（主要出于后勤和恐怖主义的原因），但可以在月球和火星上建造，用来运送人和货物。
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目前太空电梯在技术上几乎是不可能的。我们需要36000千米长的缆绳。在如此长度和质量所产生的重量下，目前所知唯一不会断裂的纤维是碳纳米管。碳纳米管纤维的强度至少是钢的117倍，是凯夫拉纤维的 30倍。[51] 但是，迄今为止，最长的碳纳米管只有半米，与一根太空电梯缆绳所需要的36000千米相去甚远。还有很多工作要做，要坚持下去。即使我们有办法大量制造廉价的碳纳米管纤维，但我们还有一个问题，那就是把电梯的缆绳放在哪里。这个 地点要确保不会受到飞机的撞击，更重要也更困难的是，不会受到恐怖活动的袭击。如果我们能做到，接下来还要担心轨道上成千上万的物体，统称为太空垃圾——大部分是被废弃的卫星。它们中的每一个都可能与太空电梯相撞，绝对没有办法控制。因此，尽管技术不断进步，但我们在地球上几乎不可能拥有太空电梯。然而，在月球和火星上，太空电梯是一个非常有吸引力的选择。就目前而言，不会有恐怖主义的担忧。而且，由于月球和火星上的引力较弱，缆绳不需要像在地球上那样坚固，所以电梯也更容易建造。
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对于地球来说，建造轨道环可能更实用，实质上就是一个环绕赤道的磁悬浮铁路系统，只不过是在近地轨道上。[52] 这将是一项工程奇迹，它不需要像碳纳米管这样的神奇材料。你可以想想土星的光环，只不过换成金属的罢了。可以一段一段地建，直到金属环完全环绕地球，大约300千米高，40000千米长。如果将金属环的速度设定为轨道速度，它将无限期地绕轨道运行，就像前面提到的被称为太空垃圾的金属块一样。电流通过金属环时，就可以把它变成磁铁。此时你就可以把固定的平台或管道悬停在金属环的上方或周围。这就像反过来的磁悬浮列车，轨道在移动，车厢却是静止的。你可以建造带有保护穹顶的很宽的平台，人们可以在那里生活或工作，这取决于磁场的强度。在这个平台上，你并不在轨道上。你只是在轨道高度，但不具有轨道速度。是你脚下的磁环在轨道上以10千米/秒的速度旋转，而你却在一个坚实的平台上悬浮着，静止不动，感受着几乎100%的地球重力。从环上下来，你就会掉到地面上（穿着合适的保护装备和降落伞也许能活下来）。
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你可以通过低垂到地面的缆绳到达平台，缆绳有助于稳定整个结构。
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轨道环的目的是提供进入太空的廉价途径。一旦轨道环建成，人类将能够轻松到达轨道平台，就像在地面上旅行300千米一样。你可以去那里一日游。你可以去那里欣赏美丽的景色。你可以当一名维护轨道环的工人，住在那里。或者你可以利用这个平台把自己送入更遥远的太空。宇宙飞船连接在状似火车的航天器上，在没有风阻的情况下，可以慢慢加速，奔向月球、火星或更遥远的地方。一旦达到适当的速度，飞船就能脱离火车，点燃自己的发动机，飞向星空。你也可以用该系统将大量的东西送入太空，比如太阳能电池板。人类可以利用太空中的太阳能电池板收集我们需要的所有能量，以微波的形式传送到地面发电站。利用这种无限能源的主要障碍，就是将所有这些太阳能电池板发射到太空的成本。[53] 用化学燃料驱动的火箭将这些太阳能电池板送到太空，要花费数万亿美元。轨道环倒是可以解决这个问题……它本身别这么贵就好了。与将大约20万吨物体送入轨道的费用相比，钢铁、铝以及凯夫拉纤维这些建筑材料的成本几乎可以忽略不计。但是这些材料也要花费1万亿美元以上，对于一项未经测试的技术 来说，尽管具有理论上的可能性，但付出的代价太大了。太空里的另一个第22条军规。
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与轨道环概念类似的是飘浮着的高空跑道。在风阻较小、大气较稀薄的情况下，运载火箭加速到极高速度时，这种跑道可以提供摩擦力以及类似火箭发射时的推力。现在，你可能已经对刚才描述中的“飘浮”部分产生了浓厚兴趣。跑道往往是不会飘浮的，但你可以通过“主动支撑”让它们飘浮。大多数结构是通过被动支撑来维持的，比如通过梁、桁架、拱，等等。主动支撑意味着对一个物体施加恒定的推力，比如一股气流托起一张薄薄的纸。理论上，一座桥可以用比空气还轻的气球来支撑。同样，一条轨道跑道可以用一系列高空气球吊起来并保持在空中，最高可达50千米。虽然这个高度低于100千米的太空分界线（卡门线），但这个高度已经足够，因为从这里可以很容易地加速到轨道速度。太空飞机可以飞到这条跑道上，将乘客或货物转移到等待着的飞船上。或者，货物可以同跑道一起飘浮上去，一旦到达合适的高度就可以发射出去。然而，为了使这种方法切实可行，我们需要想办法让气球升得更高，然后把它们固定在某个位置上，这个概念叫作位置保持（Station-keeping）。2018年8月，NASA的一个团队让一个超薄气球飞到了新墨西哥州上空48.5千米的高度，将气球的高度纪录提高了8千米。[54]
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还有很多火箭替代方案，都是可行的，但都需要大量的投资。一个限制因素可能是维护。桥梁会垮塌，摇摇欲坠的太空基础设施的的确确也是一种威胁。但是仅仅因为噪声这个原因，太空旅行很可能就无法通过火箭发射来完成。火箭可以变得更便宜，但它们不会变得更安静。为了建立可持续的太空经济，我们需要将数百万人、物资和建筑材料送入太空，每天需要发射数千次。有10万个航班将数百万名乘客送往世界各地……是每天。这个数据会惊掉人的下巴。乘火箭进出太空，这种交通方式制造出的噪音会让人傻掉，也会让地球傻掉。
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预测
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到21世纪20年代中期，运载火箭飞行将变得更便宜，从而进一步推动太空需求；第一家太空旅馆将于2025年开业，此后不久将拍摄第一部太空音乐视频和电影片段；太空飞机逐渐成熟，到2030年将有几家公司提供每周飞往太空旅馆的航班，或到地球另一端的1小时飞行；发射成本不断降低，在近地轨道的失重和真空环境中加工制造独特的商业产品可以盈利；到21世纪30年代，太空将是富人们的热门旅游目的地；到21世纪30年代，发射和降落时的噪声问题将会凸显出来，但除了将航天港限制在偏远地区，比如建立深海港口，没有别的解决方案；到2050年，将在地球和月球附近建立起几个大型的在轨飞船造船厂和配送中心；到2050年，将建成第一个具有人造重力并有人员常驻的大型在轨太空度假村；经过几十年的规划和制造，第一个轨道环将在22世纪初投入运转；大型在轨城市将在22世纪中叶建成，其中许多是退休社区。
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[1] 似乎是NASA宇航员兼飞行工程师唐·佩蒂特（Don Pettit）创造了这个词。但他说，在未来几个世纪里，他很可能会因为发明了一种杯子而被人们记住。这种杯子能在微重力环境下盛放液体，可以与其他乘组人员一起碰杯，避免了用儿童果汁袋喝东西的屈辱感。
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[2] Roald Z.Sagdeev，The Making of a Soviet Scientist：My Adventures in Nuclear Fusion and Space from Stalin to Star Wars （Hoboken，NJ：John Wiley & Sons，1994），5.
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[3] NASA保留了航天飞机的跨洋紧急中止着陆点（Transoceanic Abort Landing sites），其中两个在西班牙的萨拉戈萨空军基地和莫伦空军基地。
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[4] 借用约瑟夫·海勒（Joseph Heller）创作的小说《第22条军规》的含义，表示自相矛盾或左右为难的局面。——译注
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[5] 2018年2月11日，泰森在迪拜举行的2018年世界政府峰会上发表演讲时承认，这本书最初的书名是《发射失败：太空爱好者的梦想和幻想》（Failure to Launch：The Dreams and Delusions of Space Enthusiasts ），但出版商不同意用这个名字。
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[6] Phillip F.Schewe，Maverick Genius：The Pioneering Odyssey of Freeman Dyson （New York：St.Martin’s Griffin，2014）.
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[7] 金属氢是氢在超高压下变成的导电体，导电性类似于金属，故称金属氢。——译注
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[8] Ranga P.Dias and Isaac F.Silvera，“Observation of the Wigner-Huntington Transition to Metallic Hydrogen，” Science 355（2017）：715-718，doi：10.1126/science.aal1579.
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[9] Isaac Silvera，private communication，March 20，2018.
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