未来空间站想象图?未来空间站是否可以比地球更宜居?

对当前的人体构造来说,微重力的小型空间站不会比地球宜居。十分庞大的自旋空间站上的房屋和地球上的房屋在同等技术水平下可以做到相近的宜居性,特定重力水平的房间可以比地球宜居,但是建造奥尼尔圆柱那样的大型空间站需要明显高于现在状况的技术水平,在近未来还达不到。

考虑长远未来,人体可能被增强而扩大其宜居环境的范围。

关于题目谈到的地球的“细菌、虫子、台风、地震”:

在人类保持当前生物学身体的情况下,细菌是必要的,细菌种类和数量的配比还有待研究。国际空间站上种类不全的菌群类型对人的健康不利。短时间内,更大的空间站、月球基地、火星基地上的细菌情况也将如此。

在空间站灭虫的难度比在地球上低,但随着技术增强,差异会越来越小。人类活动空间内的农业害虫、体内外寄生虫可以被优先清除,对居民来说其它虫子在大多数情况下至多是不快害虫,未必需要清除。农作物传粉需要一些昆虫。

台风、地震是一定规模的行星上的自然现象,对影响到的人群来说是自然灾害。空间站出现问题时可以产生地球上没有的灾害类型,例如局部漏气。那谈不上格外优越之处。

微重力对人体有害:

在过去五十年里,我们已经看到太空旅行中的微重力导致的骨质流失、肌肉萎缩、心肺问题、嗅觉减退、味觉减退、视觉模糊、大脑异常、免疫系统紊乱(白细胞减少与炎症因子释放)、代谢紊乱、平衡感破坏、感知障碍、智力下降。“脸部肿胀”等轻微影响是无所谓的,而其他影响在细胞功能层面上是如此基础,以至于在没有人造重力的情况下人在空间站生存 2 年都是难以维持的。

在国际空间站上工作的宇航员遭遇严重的肌肉萎缩和骨质流失,他们尝试在空间站上进行体育锻炼和力量训练来缓解,但这会引起身体温度危险地升高。研究显示,在登上空间站后,宇航员身体的核心温度于 75 天内升高到 38 摄氏度,进行体育锻炼期间核心温度更会升高至 40 摄氏度。这样的异常温度会抬高基础代谢率,随机引起头痛、肌肉痉挛、眩晕甚至昏厥、心率加快、呼吸急促、消化系统不适和感官障碍。血液循环问题与高血压可引起心脏病发作,大脑过热会伤害神经细胞。

关于自旋空间站:

齐奥尔科夫斯基在 1903 年描述了利用旋转在太空中制造人工重力。用离心机的旋转模拟重力和产生高加速度早已在现实中用来训练飞行员和宇航员,你也可以在游乐园里体验离心机或过山车。1966 年 9 月,美国在双子座 11 号任务中让宇航员在太空尝试了通过旋转产生微小的模拟重力,效果确实可见。不过,早在 1966 年 3 月,双子座 8 号任务中电路故障造成飞船的一个推进器持续点火,就让飞船高速自转而在数分钟间给了宇航员 4 倍标准重力的效果,导致任务紧急中止、提前返回地球。

1968 年以来,电影·电视剧·漫画里出现的旋轮空间站和旋转部件航天器多使用 NASA 在 1959~1975 年放出的概念设计。

未来空间站想象图?未来空间站是否可以比地球更宜居?

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1962年NASA自旋空间站概念图

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1964年NASA建造的直径7.3米的旋轮航天器模型

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1975年美国航空航天局夏季研究的过程中,斯坦福大学提出的斯坦福环面太空殖民地

现在还没有造过靠全船或部件自转产生模拟重力来帮助宇航员对抗微重力给身体造成的损伤之宇宙飞船或空间站,因为那对尺寸和成本的要求比现在的航天器要高得多:

靠旋转在环形结构的内表面产生标准重力的效果,需要内径 112 米、每分钟旋转 4 圈,或是内径 448 米、每分钟旋转 2 圈。美国已经设计过一批使用旋转部件的航天器,但出于资金和技术上的考虑,至今还没有动手制造过一艘成品——它们并不超出 NASA 的技术能力,但是超出可以接受的预算范围,在能容忍的预算之内技术又不够。

载具旋转时,科里奥利效应会导致内耳紊乱,在许多情况下会造成眩晕、恶心和方向识别障碍,干扰宇航员工作。常人能直接无视的旋转速度在每分钟 2 圈之内。实验显示,这是可以在旋转的房间内发生适应的:

经过 10 到 20 次定向移动身体的尝试,人脑会找到模式并自动修正每分钟 25 转下的偏斜。在旋转停止后,该自动修正会引起相反的偏斜,需要再尝试 10 到 20 次来调整。

在小型航天器或航天器上的部分舱段里搞自旋还造成头和脚受力不一致,这个状态锻炼身体还可以接受,但目前也不清楚间歇性接受高重力能不能抵消其它时间里微重力的影响。对旋转区域内径 20 米的离心机来说,每分钟旋转约 10 圈可以在平均身高人类男性的臀部高度产生标准重力的效果(此时脚上是 1.1 倍标准重力的效果),每分钟旋转 13.3 圈可以产生 2 倍标准重力的效果。

注意人体并不会特别需要标准重力,在地球上生活数十年的人经常发生与重力相关的多处组织损伤。最适宜当前结构的人体生活的重力加速度应当低于标准重力,具体是多少还有待研究。

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