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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036996]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 温度、压力、辐射
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在火星生活，至少就短期而言，如果计划得当，应该不会十分困难。
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我们需要把对重力的关注放在一边，因为我们不知道0.38G的长期影响会是什么。但有一件事很明确：如果宇航员乘坐模拟地球1G的飞船到达火星，他们在火星上将拥有超人的力量，在举起、跳跃和投掷方面的能力是在地球上的3倍。如果在0G的环境下于9个月后到达，他们将需要大约1周的时间来适应0.38G。根据旅途中肌肉和骨骼的流失程度，他们在火星上仍可能感觉到稍稍强壮了一些。
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温度不会成为一个引人注目的问题。当然，火星会很冷，但仍在人类可以理解和体验的范围之内。在火星赤道，白天温度最高可达20℃，确实是令人愉快的白天。到了晚上，由于没有厚厚的大气层来保持热量，火星的温度会下降到-100℃，比地球的南极还要低一点，但仍然有办法控制。幸运的是，火星的“夜” 真的只是地球的一晚，大约12小时。火星上的一整天为24小时37分钟，与地球非常相似。
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火星上真正的天气灾害是沙尘暴。《火星救援》这部书和电影就是以一场沙尘暴开始的。这场沙尘暴对NASA的乘组人员造成了巨大破坏，使他们被迫撤离火星。现实中，碎片在火星上不可能飞得这么快，因为火星上只有少量空气来承载它们。作者安迪·威尔承认这个细节不准确。但坦率地说，在这部非常真实的科幻小说中，这是唯一一处较大的错误。[27] 沙尘暴的危险之处，在于它们可能会蔓延整个火星，将太阳遮挡数周甚至数月之久。能见度会下降到几米，灰尘会覆盖在仪器的太阳能电池板上，导致电力中断。火星沙尘暴并不少见。不幸的是，1971年11月，苏联的“火星2号”和“火星3号”探测器就是在一场如此巨大的沙尘暴到来之时将着陆器送上了火星，对任务造成了巨大影响并导致任务提前结束。NASA的“水手9号”（Mariner 9）在这之前一个月抵达火星，但留在了轨道上，因此躲过了这场沙尘暴，完成了绘制火星地图以及进行大气研究的任务。当人类在一个寒冷陌生的世界着陆时，却恰好遭遇一场沙尘暴，很可能会夺去已经厌倦了太空旅行的宇航员的生命。2018年一场旷日持久的沙尘暴最终导致长寿的“机遇号”火星车（Opportunity）报废，因其数月无法获得太阳能。
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辐射暴露并非无关紧要。火星没有磁层，只有稀薄的大气层，因此对宇宙和太阳辐射几乎没有防护作用。宇宙射线来自四面八方，但火星本身阻挡了宇宙射线射向其另一边，所以与宇航员乘坐飞船前往火星时相比，宇宙射线暴露量基本减少了一半。火星大气层也可以提供一些保护。NASA“好奇号”火星车发现，在300火星天内，火星表面的辐射剂量率变化范围为180～225微戈瑞/天。[28] 戈瑞是一种测量辐射吸收的单位，更加侧重于身体健康。因为宇宙射线能量更大，因此比太阳辐射更具穿透力，更致命。好消息是，相对来说，这和宇航员在ISS上受到的辐射差不多——不理想，但也不可怕。如果发生严重太阳耀斑，火星表面的人将事先收到警报，并可以据此采取庇护措施。此外，还有可能限制他们一天最多只能在户外待8小时，而“好奇号”每周7天、每天24小时暴露在外面，更确切地说，是每周7天，每天24.6167小时。
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火星上稀薄的空气也意味着人类需要一套加压服才能在火星上行走。火星表面的平均气压为6毫巴[29] ，在高原和高山地区还要更低。在地球上，海平面高度的气压约为1000毫巴。即使在珠穆朗玛峰，气压也仍有340毫巴。但是在6毫巴的时候，由于液体会在几秒钟内变成气态，你的血液会“沸腾”。因此，在火星上，无论温度如何，你永远都无法自由行走——永远也不可能赤身裸体待在户外，永远感受不到真正的风吹在你的脸上——直到将火星彻底地球化的目标得以实现，将压力提高到至少300毫巴。在遥远的那一天到来之前，只能用笨拙的宇航服来保护你。
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但是宇航服需要改头换面了。自阿波罗时代以来，它们没有发生多大变化。为航天飞机和ISS设计的现代宇航服，用NASA的行话叫“舱外机动装置”（Extravehicular Mobility Units，EMU）。俄罗斯的同类宇航服叫作“奥兰”（Orlan），在俄语中是“海鹰”的意思。这些宇航服很笨重，因为它们基本上就是一艘穿在身上的飞船，可提供足够的压力、氧气、温度、尿不湿（太空行走时间很长）和通信系统。多年来，宇航员们一直抱怨宇航服很难穿，要花1小时以上才能穿上。这个过程有30个步骤。大部分时间都花在适应宇航服的“环境”上，也就是350毫巴的压力，百分之百的氧气。[30] 太空行走之后，宇航员需要反向重复这30个步骤。
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EMU在火星上不起作用主要有两方面原因。其一，它们的重量是阿波罗宇航服的两倍；虽然这一重量在微重力环境下不算什么，但在火星上就显得很重了。其二，它们太笨拙了，不适合火星上的行走、挖掘、搬运等繁重的探索活动。当你到达火星，每天都是太空行走日，毕竟这就是人类去火星的目的。EMU是为飘浮设计的，而不是为行走设计的。在太空中，你不会真的走路或屈膝。还是让我们面对现实吧！EMU缺乏未来太空探索中难以言表的某些东西。
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一种很有前途的新方法是基于NASA和美国空军在阿波罗计划之前设计的一种叫作“太空活动服”（Space Activity Suit，SAS）的东西。它使用机械压力而不是膨胀的空气给身体施加压力。[31] 麻省理工学院正在研发一款太空活动服，它采用紧身设计，由数千根柔韧的软线来保持压力，但又可以自由活动。该项目团队由麻省理工学院的达娃·纽曼（Dava Newman）领导。她曾在NASA任职多年。项目团队与一位意大利设计师合作，以确保形式、功能、格调相结合。他们已经把形式确定下来；宇航服的款式看起来很不错。但是经过多年研究之后，几乎仍不具备任何功能。尽管他们在21世纪第二个10年中期做了TED演讲，还有一些积极的新闻报道，但宇航服离实际应用还需很长时间。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火星建筑
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第一批宇航员的火星庇护所将预先在地球上建好，在人类登陆火星之前或者作为登陆飞船的一部分送往火星。如果有足够多的栖息地在火星上着陆，很快就会形成一个与南极科考站相媲美的村落。辅助庇护所可以是轻便的、可充气的结构，上面覆盖着火星土壤，用作辐射防护，就像月球上的设计一样。NASA有一种叫作“冰屋”（Ice Home）的火星庇护所原型。这是一种巨大的圆顶形充气结构，足够容纳4名宇航员，还有图书馆和种植室等奢侈设施。“冰”是指庇护所墙内和顶部有几米厚的冰和水，既保温又防辐射。
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在人类登陆火星初期，宇航员在火星上将只待一年左右，所以与火星永久定居者相比，长期辐射防护对他们来说并没有那么重要。如果长期居住则需要大部分时间住在地下或熔岩洞内。由于辐射的缘故，火星表面是不毛之地。除非在材料科学上取得突破，否则就没有切实可行的办法为整个社区提供辐射防护。只有将城镇建在地下，或者覆盖上大量的东西。原因在于保护程度与质量息息相关。做牙科X光检查时你要戴上铅围裙，因为铅的密度大，用薄薄的一层围裙就可以起到保护的作用。你穿上同等质量的羽毛也可以很安全，但这样的围裙可能会厚得可笑，但不可否认，这会让看牙医变得更有趣。在地球，我们头顶的大气层阻挡了大部分有害辐射，因为它的质量（或压力）约为15磅力/英寸2 。对于太阳和宇宙粒子来说，它们要穿过很多很多的原子。在火星上，稀薄的大气层的质量（或压力）约为0.087磅力/英寸2 。在任何时候，我们上面都需要有一个更大的质量，才能获得类似于地球的辐射防护。这种质量可以以铅、羽毛、泥土或水的形式出现，任何一种都可以起作用。
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艺术家描绘的火星冰屋概念
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在火星待上一年的甜蜜的家。火星上的第一批居民是一群吃苦耐劳的人。从月球到火星，再到冥王星以及无垠宇宙，所有庇护所基本上都是一样的，需要提供温暖、氧气和气压。
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对于大规模长期居住来说，最实用的材料是泥土或土壤。铅不实际，因为需要勘探、开采，然后冶炼矿石，而且我们现在已经了解到铅是一种神经毒素。羽毛……是不会到那儿去的。水是非常有用的，这也正是NASA考虑建造冰屋的原因。土壤保护层太厚，需要更薄的物质进行辐射防护。但是火星上的水可能太珍贵，不能用于大规模长期栖息地的防护，至少一开始是这样。剩下的就是到处都是的土壤了。要达到地球大气层的保护程度，一个庇护所上至少需要覆盖5米厚的土壤。[32]
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当然，挖掘两层楼高的泥土并不是小事，即使是在地球上。第一批到达火星的人需要一台挖掘机来完成这项工作。小型机器人挖掘机可以在几年时间里完成这项工作，这一点并不难理解。其中一项严峻挑战是要与火星地下的水冰做斗争。任何钻头或挖掘机都会有摩擦，从而产生热量，使冰融化。然而，在低压的火星上，融化的冰会立即蒸发，而不是变成水。如果当地的大气温度低于0℃，那么水蒸气就会在工具周围凝固并冻结。而那里没有人，无法让这些工具重获自由。
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庇护所一旦挖好，就需要加压（并且要一直保持下去！），这样一来，挖好的庇护所内部所使用的材料应该是耐用的、可充气的东西。这些材料要从地球送到火星定居者那里，直到他们有了制造塑料和开采金属的基础设施。庇护所也可以用土壤制成的砖来建造，但它们需要以某种独特的方式上釉，以免漏气和失压。鉴于这些困难，火星上的第一个村庄可能会集中在有洞穴或熔岩洞的地方。在那里，洞已经为我们挖好了。定居者只需要在这些洞里建立他们的加压栖息地即可。和月球一样，火星上的熔岩洞也很常见，且有些熔岩洞很大，足以容纳整座城市。
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你可能会问自己，为什么要大老远跑到火星上，只是为了被迫住在地下？你在插画中看到的以及科幻小说里描写的那些地表住所只适合临时居住。在火星生活一辈子意味着你只能生活在地下，除非创造出合适的大气层，或者物理学和工程学取得突破性进展，能让你生活在透明但有保护的玻璃下。但是你可以聪明一点，把定居点建在一个有阴影的山坡上——例如，北半球的北面。山将会阻挡几乎所有的太阳粒子，并进一步显著减少宇宙射线。在这种情况下，建筑的北侧可能有厚厚的强化玻璃做成的条带，供人们观赏火星上的壮丽景色，这样那些因封闭带来的忧郁也就被赶走了。可以在窗边放松，只是不要把你的床放在那里。我说“厚玻璃条”是因为任何很大很薄的东西都会被内外压差挤破。栖息地里面的气压大概是500毫巴，而外部世界大约是5毫巴。因此，火星建筑设计中另一个常见术语——大块玻璃，用已知材料根本就行不通。
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山坡上的住所不难想象，因为它们在地球上也很常见。类似的庇护所应该有保护良好的建筑物——地下或地上，只有几扇窗户——全部通过隧道和管道连接，就像美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一样。其庞大的空中交通网络和通道连接着市中心的大部分地区。大型室内购物中心也很有启发性：数百家零售商店可以被看作数百个生活区。地下建筑可以分为住宅、商业、工业和教育区域，或者任何建筑都可以是一个独立的社区。就和地球上一样，我们很可能会看到按照激进的城市规划而设计建造的火星村庄。这些村庄将在未来许多年里运转良好。但在火星实际居住以后，会因为一些不可预见的危险和工作效率的提高，这些火星村庄会自然而然地演化成新的形式。
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