人類要想在太空中生活，可采取的方式主要有兩種。更常被描述的壹種方式是： 殖民其他天體 ，如月球和火星。這種方法有壹些難點，比如如何應對有毒土壤、粘性粉塵和重力井等。
另外壹種選擇是 在太空中建立我們自己的棲息地 。它們可以位於太陽系的任何地方，可以是材料科學允許的任何尺寸，可以具有不同的特性，例如溫度、氣候、重力，甚至是壹天的長度。當然，我們離建造壹個完整的太空棲息地還有很長的路要走。不過德克薩斯農工大學研究團隊的壹篇論文讓我們離這壹目標又近了壹步。該論文詳細描述了可擴展太空棲息地的壹種建造方法，棲息地由同心圓柱體組成，可容納多達8000人。
任何有大量人口居住的太空棲息地都將不得不面對在太空中生存的壹些主要問題。論文作者明確列出了他們的太空棲息地試圖解決的5個問題： 重力 、 輻射防護 、 可持續農業 、 棲息地承載力 、 商業價值 。
重力
長期暴露在缺乏重力的環境中會對人體造成嚴重破壞，導致視力受損、骨密度下降等各種問題。但大多數這類問題都可以通過壹個簡單的方案來解決：人工重力。
我們目前還沒有技術能讓畢凱艦長（見《星際迷航》）像站在辦公樓裏壹樣站在企業號艦橋上。然而，我們確實有壹些類似於人工重力的東西：由旋轉產生的離心力。這是給宇航員提供重力環境的壹個相當普遍的解決方案。這壹方案雖然還沒有經過檢測，但大多數專家都認為，它可以緩解大多數與缺乏重力有關的 健康 問題。
制造壹個可以消除這些 健康 問題的人造重力系統，設計上有兩個主要的因素要考慮。首先需要考量的是建造人工重力所需的 棲息地大小 。如果旋轉半徑太小，人的頭和腳感知到的重力會有顯著差異。這就是大家所熟知的“暈車”反應的原因。任何使居住者產生這種不良反應的棲息地都無法使用。
第二個考慮的重點因素是 轉速 。作者引用了另外壹篇文獻，其中指出：無論轉速多少，只要每分鐘超過4周，同樣會誘發“暈車”。考慮旋轉速度的上限和旋轉半徑的下限，我們可以將太空棲息地的半徑設計為56米，大約和比薩斜塔的高度壹樣。人類可以在這樣的環境中生活，不會有“暈車”發生，也不會因持續處於零重力漂浮狀態而對 健康 產生負面影響。
同卵雙胞胎宇航員斯科特·凱利和馬克·凱利是NASA雙胞胎研究的對象。斯科特（右）在太空待了壹年，而馬克（左）則作為對照目標留在地球上。斯科特在零重力環境中待了很長時間，這使他身體相對虛弱。Credit：NASA
輻射防護
零重力環境並不是太空棲息地面臨的唯壹隱患。長期暴露在宇宙線輻射環境中對人類 健康 極為不利，癌癥和細胞損傷的風險將會因此大大增加。
作者解決這個問題的方法很簡單——用5米厚的土壤層和水包圍整個棲息地。在他們的模型中，輻射屏蔽層由水與土壤層組成，水層夾在表層土壤之間。輻射屏蔽層即保護罩位於圓柱形棲息地的外部，其上覆蓋有太陽能電池板來為棲息地供電。選擇水與土壤作為屏蔽層的主要原因是這些材料很容易獲得——從引力相對弱的天體（如小行星和月球）上可以獲得大量的土壤和水。我們已經知道，這種組合可以有效阻止宇宙射線和太陽輻射。
可持續農業
除了阻止任何潛在的輻射風險外，防護罩還能幫助維持生命系統，它通過非常緩慢的旋轉來消除整個棲息地結構上的溫度不均勻。作者通過計算得到：壹個0.2轉/分的防護罩，以及在棲息地側面附加的壹個大面積“散熱器”，可以在棲息地內實現大約300K（27 ）的內部溫度。這壹溫度將非常適宜棲息地中的非人類居住者——比如植物的生存。棲息地的農場將被放置在圓柱體的兩端，呈圓錐形，頂部是透明的玻璃天花板。他們還將使用微微傾斜的巨型鏡子，將陽光均勻地反射到農作物表面。
“太空村壹號”棲息地的整體結構示意圖。註意主結構中間的張拉整體弦和散熱器。Credit: Muhao Chen et al.
棲息地承載力
作者通過計算得出，空間站的每個居住者需要大約300平方米的農田來支撐他們的日常消耗。隨著棲息地擴大到半徑224米（52層，層高4米，以及最裏面的半徑20米的圓柱體），將有足夠的農作物和生活空間來容納8000人。但是這個棲息地壹開始並不能養活所有人，作者將棲息地最中心的20米直徑的圓柱體作為“種子”模塊，其他圓柱層將以此模塊為基礎進行擴張。這個擴張建造過程將使用壹種成熟的機械工程技術——張拉整體。
NASA使用張力整體原理建造的機器人。Credit：NASA/Adrian Agogino&Vytas Sunspiral
張力整體（Tensegrity）是Buckminster Fuller創造的壹個復合詞，用來描述壹個由鋼筋和細繩交織而成的系統，其中鋼筋被壓縮，弦被拉緊，它可以讓設計師建造壹些真正令人難以置信的建築。
商業價值
在太空棲息地方面，張拉整體技術允許設計者制定壹個6步擴展計劃。該計劃可以無限期重復，而無需隨著棲息地的擴展而關閉生命支持系統。每壹次擴建都允許在建築群中增加壹個額外的圓柱體，並在不破壞已有圓柱體中居民的生活的情況下，增加大量額外的居住空間。這種可擴展性將使任何使用這種系統的結構比必須保持單壹形狀的棲息地更具經濟意義。這壹經濟因素是未來任何太空棲息地設計中極為重要的壹部分，因為它將是更廣泛地擴展空間基礎設施的主要驅動因素。
另壹種利用圓柱形棲息地的有趣特性而獲得經濟價值的方法是，圓柱體的中心可以充當“零重力車間”，允許居住者進行在重力井中很難或不可能完成的工作，例如加工原材料或開發新型藥物。
空間站的3D打印模型。Credit: Muhao Chen et al.
中央圓柱也可以在另壹個經濟驅動力—— 旅遊 中發揮重要作用。設計師們設計了壹個中央開放空間，幾乎完全用於公園。這部分是為了長期居住者的 情感 和心理 健康 服務的，但也可能成為主要的 旅遊 景點。這將特別有用，因為 旅遊 可能會成為早期太空棲息地的主要經濟驅動力之壹。
太空 旅遊 確實還有很長的路要走，雖然發射成本在持續下降，但在我們擁有開采小行星或月球的基礎設施之前，不太可能建造任何主要的太空棲息地。同時，我們可以繼續研究新的想法，並最終可能會付諸實施。
翻譯：奔跑的火車
感謝Universe Today授權翻譯。原文見：
/147882/design-for-a-space-habitat-with-artificial-gravity-that-could-be-grown-larger-over-time-to-fit-more-people/
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