上映于1975年的《太空：1999》中，太空月球基地“阿尔法”激发了人们对未来太空探索的无限遐想。2010年，美国航天局（NASA）发行了一款以月球基地为背景的游戏《月球基地阿尔法》。这之后，埃隆·马斯克（ElonMusk）也曾提出建立月球基地“阿尔法”的宏伟计划。对于人类而言，阿尔法基地也许意味着人类对太空定居的美好期望。
那么，我们可以前往月球阿尔法基地和更远的地方定居吗？
以下内容选自《未来漫游指南：昨日科技与人类未来》，已获得出版社授权刊发。
《未来漫游指南：昨日科技与人类未来》，[美]史蒂文·诺韦拉 [美]鲍勃·诺韦拉 [美]杰伊·诺韦拉 著，别尽秋 译，中科书院丨中国科学技术出版社2024年11月版。
由于人类是在地球上进化而来的，所以我们已经高度适应了这个环境——有一个薄薄的气体外壳包围着我们的星球，温度和压力变化范围很窄，不受辐射的影响，大气中有足够的氧气，无过多的二氧化碳或其他有毒气体，湿度适中。我们现已进化到能在太阳发出的光线下看见事物，并能够食用有机物，而我们亦是有机物的一部分。
离开这个小小的似茧蛹一般的保护层，我们无法存活太久。即使在地球上，我们也无法在某些地方无限期地生存下去。沙漠的环境太热太干，两极又过冷，最高山脉上的空气太稀薄，所以我们通常待在自己的舒适区，穿着衣服，甚至住在由环境控制的房屋里，以保持真正的舒适。
相比之下，已知宇宙的其余部分则是一片致命的地狱。事实上，据我们目前所知，在没有防护太空服或封闭栖息地的情况下，人类无法在其他地方生存。尽管常见的科幻小说认为，太空旅行者可以在大多数行星上着陆，并且环境相对舒适，但很可能只有极小一部分“类地”行星真正适合人类居住。毕竟，变量太多了。
其他星球上的引力可能过大或过小，照至其上的太阳光或许过亮或过暗，温度也可能过高或过低，并且大气也可能存在诸多问题。如无磁场，我们将会遭到致命的辐射轰击。最重要的是，其他星球上的食物可能也不安全。
太空自身的环境甚至更为恶劣。在接近绝对零度的温度下，人类会被冻结；但如果我们直接暴露在未经大气层过滤的太阳光下，人类又会被烧熔。如前文所述，即使短暂地暴露在太空真空中也将致命。没有大气层作为屏蔽，辐射也会慢慢将我们杀死。此外，我们需要随身携带所有的氧气、食物、水和能量。本质上讲，为了在太空中生活，我们需要建造一个与地球环境非常相似的球形居所，外层由大气层包裹，形如一个气泡。
最重要的是，太空中没有重力。轨道将保持一个持续下降的状态，在轨道上基本上没有明显的重力感，技术上称为“微重力”，因为太空中仍有微小的局部重力来源。如果未受到接近1g的重力，我们的身体就无法运作——我们会失去骨骼和肌肉，无法正常分配体液，视力将会受损，以及其他仍在了解中的副作用。
太空定居并非易事，但我们仍会再接再厉，因为探索和定居新地方是人类的生存方式。
永久定居的空间站或许不具备可行性
将任何现有的空间站都称为“定居点”，甚至是永久点，都还为之过早。定居点意味着一个自给自足的社区。不过，太空定居点不必完全自给自足，可以依赖外部交换或支持，但这种地方应该是人们生活和工作之地。
顺便一提，太空爱好者已不再使用“殖民太空”这个词了，因为殖民地的定义为外国势力在另一个国家的部分地区建立部分或完全控制，并从本国移民至此。如果火星上确有火星人，那么地球人在此定居便会形成殖民地。因此，在发现外星生命之前，我们将坚持目前的传统说法“定居”。
现有的空间站，即人们可以在太空中生活和工作的地方，并非完全的定居点，而是前哨站，或者顾名思义，即空间站。国际空间站是目前太空中寿命最长且面积最大的有人居住建筑，其首尾相连长达108米，内部生活空间相当于一个六居室的房屋。国际空间站的主体建筑始建于1998年，并于2011年完工，但相关升级和维修几乎一直在进行。
《2001太空漫游》（1968）剧照。
自2000年11月2日以来，来自18个国家的242名宇航员（数据截至2020年11月）曾居住在国际空间站。美国宇航员斯科特·凯利保持着在国际空间站连续停留时间最长的纪录，达340天。而宇航员佩吉·惠特森在国际空间站停留的总时间最长（非连续），为665天。
之前的空间站，包括“金刚石空间站”和“礼炮号空间站”系列，“天空实验室”、“和平号空间站”和“天宫一号试验空间站”，都不再运行。这些空间站使与太空生活相关的科学技术得以发展。宇航员甚至可以在太空中种植食物，尽管其产量远远不够养活宇航员。国际空间站不能自给自足食物和水，完全依赖外界运输。
在国际空间站上，排泄物只能部分回收利用。人类粪便经过杀菌处理，最终被抛出空间站，并作为“粪便流星”在地球大气层中燃烧。然而，美国国家航空航天局正在寻找充分回收利用人类排泄物的方法。其中一项建议是将排泄物储存在空间站的外层，作为抵御辐射的“粪便屏障”。科幻喜剧电视剧《第五大道》以幽默的方式探讨了这一构想，但这是一项严肃的提议。自2009年以来，国际空间站一直在回收尿液，且该系统已升级为更有效的模型，即使用强酸净化宇航员的尿液。正如一位宇航员所说：“今天的咖啡也是明天的咖啡。”
国际空间站将持续飞行至2030年，美国国家航空航天局计划让其退役，并于2031年的某个时候将其摧毁并沉入海洋，再用一系列商业空间站取而代之。私营航天企业公理航天正在计划将自行研发的模块连接到国际空间站，并于2022年开始执行任务。这些模块是对老化的国际空间站的重大升级，一旦国际空间站退役，公理航天的模块将分离出来，成为该公司自有的空间站。
另一家私营公司，轨道组装公司（OAC）公布了其“旅行者空间站”计划，该空间站将最多容纳400人。“旅行者空间站”是一个甜甜圈形状（环面）的太空站，与电影《2001太空漫游》中的空间站十分相像，通过自旋产生人工重力。
美国国家航空航天局计划建造一个名为“门户”的月球空间站，作为阿尔忒弥斯任务的一部分，以方便完成往返月球表面的任务。随着从低地球轨道到月球（称为“地月空间”）空间基础设施的发展，未来可能会有更多的空间站。
但是，空间站是用于参观或完成任务的地方，而非定居点。目前尚无建造空间站定居点的计划。在进入太空的成本大幅降低和在太空自给自足的技术得到进一步发展之前，永久定居的空间站或许不具备可行性。
人们是否愿意在太空生活？
对于一个作为永久定居点的空间站而言，它需要在很大程度上实现自给自足，因为将物资送入太空的费用高昂且不易操作。完全回收所有的水和排泄物将成为必须要求。于永久居民而言，空间站还需具备安全性，这意味着其外部应有足够的辐射屏蔽措施。
能够为所有的居民种植充足的食物有着额外的优势，不过，运送补充食品也具有可行性。水培花园，即使用完全受控的环境、人造光和几乎完全循环利用的水，在水中种植植物，这已经是一项巨大的产业（预计到2020年将达97亿美元）。水培法是一种可种植许多蔬菜的有效方法，人们已经在国际空间站上利用此法种植了试验植物。
《2001太空漫游》（1968）剧照。
人工重力也必不可少，所幸这可以通过简单的旋转实现，不过仍需面积相当大的空间站。空间站越大，旋转产生的影响就越不容易被飞船内的乘客察觉，因此也不容易引起眩晕。和“旅行者号”探测器一样，这种环面设计最早由赫尔曼·波多奇尼克（曾化名赫尔曼·诺顿）于1929年提出，因此有时被称为“诺顿之轮”。不过，我们还有其他选择——可以用一根长缆绳连接两个模块，使二者围绕彼此旋转，飞船可以停靠在缆绳的中心点，通过升降机到达其中一个模块上。
另一个想象中的设计是一个沿着长轴旋转的大圆柱体，就像《巴比伦5号》中的车站一样。这一构想最初由达雷尔·罗米克于1956年提出，他设想了一个高1000米、直径300米的圆柱体，可容纳2万人。杰拉德·K.奥尼尔于1974年对此发表了首篇技术分析，因此这种设计被称为“奥尼尔圆柱体”。根据奥尼尔的计算，钢的强度足以支撑一个直径为8000米的圆柱体，但这已经是最大限度了。更先进的材料可以制造更大的结构。
《巴比伦5号：归乡路》（2023）剧照。
能量供应也很关键，但利用太阳能电池板便可轻而易举地获取能量。在太空中，太阳能电池板可以自动定向，以获得持续最大化的太阳光供应。在出现紧急情况时，或者面板因任何原因需要脱机时，备用电池不可或缺。太空中其他形式的能量可能不易获取且成本高昂，但极有可能用作备用电源。但未来的大型空间站可能会包括一个小型核反应堆，甚至是一个先进的核聚变反应堆。
事实上，氧气问题并没有想象中那样难以解决。如果种植的食物足以养活一个空间站的居民，那么这些植物也会循环利用二氧化碳，产生的氧气将大于所需要的量。美国国家航空航天局称这种系统为“受控生态生命保障系统”。在这种系统中，最著名的实验或许就是“生物圈2号”封闭栖息地，这是一座微型的人工生态循环系统，但并未针对太空环境进行优化。与之更相关的实验是苏联主导的BIOS-3，这是20世纪60年代至80年代一个研究项目的一部分。人们发现，只需分配给每人13平方米的土地，他们就能种植78%的所需食物，从而制造几乎所有的氧气。只要有更多的空间和更高的效率，就可以轻而易举地生产所有的食物和充足的氧气。
事实上，对潜在的火星封闭栖息地的模拟发现，氧气过量可能才是真正的问题所在。如果大气中的氧含量过高，就会引发火灾。因此，任何封闭的栖息地系统都需要谨慎调节植物的种类和数量，以完美地平衡食物、水、氧气和二氧化碳的数量，或者采用环境系统从而调整这些变量。产生过多的氧气或许比去除多余的氧气更为容易。可以将多余的氧气储存起来，以供舱外活动或访问空间站的飞船使用，也可将其用作燃料。
有关深空定居点的其他建议包括挖空大型小行星，再将其内部用作空间站。如果小行星体积足够大，比如谷神星，那么甚至可能“加速”小行星的旋转（就像《苍穹浩瀚》中那样，剧中做法本质上是利用火箭使小行星旋转得更快），以产生人工重力。同时，小行星自身也会提供足够的屏蔽从而抵御辐射和流星。
最重要的是，不但一个封闭的生态控制栖息地完全具有可行性，而且我们现在距离实现这一点已经非常近了。在这样一个生态系统中，有足够的原材料、适当的辐射屏蔽、一些产生人工重力的旋转，以及为整个系统供电的太阳能电池板。由此可见，在不久的将来，永久定居太空的可行性极高，并且最终很可能会实现。
定居太空的构想由来已久。1895年，俄罗斯火箭之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出了建立空间站的想法。1903年，他完善了这一想法，包括旋转产生重力、太阳能，以及一个产出食物和氧气的封闭栖息地。125年之后的今天，我们所拥有的技术至少可以开始实现他的这一宏愿。
真正的问题在于人们是否愿意在太空生活。答案很可能是，毕竟全球人口数十亿，总有人会想要这么做。但我们不得不问：除了在太空中生活，人们还能在那儿做什么？这是一个经济问题（正如我们所见，经济学问题往往比纯粹的技术问题更为重要）。人们能否在太空中谋生？获得的收益是否足以负担可能极为高昂的生活成本？
太空定居的经济效益将取决于未来的工业发展。即使是具备人工重力的空间站也会有低重力甚至微重力的位置，这对某些科学实验很有帮助，对未来的一些工业产业而言，也可能至关重要。微重力制造或许是未来太空定居的命脉所在。利用空间站作为操作基地的小行星采矿业是另一个潜在产业。在小行星上工作的矿工将需要一个居住和获取补给的地方，因为上下往返于地球重力井并不划算。未来的太空定居点甚至可能有技术人员驻扎，他们的工作是维护一个巨大的轨道太阳能电池板排布，从而向地球发射能量（或管理实际参与工作的机器人）。
我们可以在其他星球定居吗？
当然，我们并不局限于在太空中建造自由漂浮的空间站。我们可以采用同样自给自足的栖息地技术，在月球、火星和太阳系的其他星球上建造定居点。遇到的问题基本上并无差别。这类栖息地同样需要能量、食物、氧气、正常大气压和辐射屏蔽。
在月球这样的星球上，有些事情操作起来会更容易，有些则更难实施，还有些与在其他星球操作难度一致。食物、氧气、资源回收利用和大气控制在太空或月球表面或其他行星表面几乎都是难度相同的技术问题。唯一真正的区别在于，在其他星球表面开展上述活动更为容易。人们也可以利用当地的风化层为种植植物创造土壤，不过，水培农业也具有可行性。有些地点甚至有当地的水源。
太阳能电池板也可能成为能源支柱。由于太空中的太阳光持续发出，因此极易获取太阳能。月球两极可以持续接收光照，但其他位置则不能，因此需要建造更多的太阳能电池板，并将其与足够的备用电池系统配对。
《2001太空漫游》（1968）剧照。
如在其他星球上定居，核反应堆可能更有价值，也更有必要。在远离人类栖息地的地方，可以轻而易举地建造核反应堆，并可连续数十年生产可靠的能源。在火星上，风力涡轮机是可行的。事实上，由于阻挡太阳能电池板的沙尘暴可以产生风能，风力涡轮机可以作为有效替补。
距离太阳越远，太阳能电池板可获得的能量就越少。例如，火星上的最大太阳辐照度约为590瓦/平方米，略高于地球（1000瓦/平方米）的一半，相比之下，木星上仅为50瓦/平方米。然而，太阳系以外的气态巨行星中含有大量的氢，一些较大的卫星上含有碳氢化合物，这些物质可以为核聚变反应堆甚至氢燃料电池提供燃料（可与所有食物生产产生的多余氧气结合）。即使是彗星也含有可以作为燃料来源的挥发性元素。
在固体星球上防辐射更为简单，原因有二。其一，可以就地取材。到达月球表面后，就可以在当地的风化层上建造栖息地，其中包括厚厚的辐射屏蔽。
根据美国国家航空航天局提供的图像，我们现在也有充分的理由得出结论，月球和火星上可能存在天然洞穴，可作为完美的辐射屏蔽。这些洞穴为熔岩管道，在熔岩到达或接近地表时形成。在月球上，洞穴的宽度估计在300至900米之间（没错，确实是宽度）。由于火星的重力较大，火星上的洞穴较小，但宽度仍在40至400米之间。
这些深洞不仅可以防辐射，还可以挡避微陨石，甚至更大的流星，对于无任何大气层保护的太空栖息地而言，这三者都构成了真正的威胁。此外，我们也许可以在熔岩管道内打造简易的充气栖息地，无需任何重型建筑。甚至有可能对整个熔岩管道进行密封和加压。
也许，在低重力星球上定居遭遇的最困难的挑战在于，并无简单易行的方法将重力增加到接近地球正常的水平。具有讽刺意味的是，在只有微重力的太空中，利用旋转来解决这个问题更为容易。月球表面的重力只有0.165g，火星上则为0.38g。目前，我们甚至还不知道如何在理论上产生真正的人工重力，而且这一点可能无法实现。有人建议建造大型环形轨道，使栖息地倾斜成一定角度并旋转，从而增加重力，但这一解决方案可能不切实际。
我们缺乏月球或火星的低重力环境对生物效应的长期研究，但从目前已知信息来看，低重力环境可能会降低我们的骨密度和肌肉力量，并产生其他负面影响。如果你要在月球或火星上度过余生，那么这种环境不会造成影响，因为你会适应这种重力。然而，一旦你回至地球，就会发觉难以适应甚至不可能适应地球重力。由此可能会产生多个人类亚种群，而每个亚种群都能适应不同的重力。
《2001太空漫游》（1968）剧照。
世代飞船值得一提，这是另一种定居形式。世代飞船是一艘大到足以充当空间站的宇宙飞船，能够完全自给自足，且可以容纳数百甚至数千人。然而，空间站也是一艘飞船，能够产生大约1g的持续推力。在此情况下，加速度将提供人工重力，而不是旋转。或者，一旦飞船达到巡航速度，就可以改变配置，使生活舱旋转以提供重力。
这种飞船的设计比空间站或月球基地更具挑战性，因为它必须实现真正的自给自足，因为永远不会有任何补给，其中包括所有的维护和修理。在深空中，也不会有太阳能，所以核裂变或核聚变或许必不可少，或者可利用反物质甚至黑洞引擎这类高科技提供能量。
上述飞船通常称为“世代飞船”，因为其设计初衷就是为超过人类一生时间——数十年到数百年——的太空旅程提供居所。到达理想目的地的人们将是那些离开出发地并在飞船上度过一生的人们的后代。据推测，飞船上的资源和人力将用于在遥远的恒星系统中建立一个新的定居点。
原文作者/[美]史蒂文·诺韦拉 [美]鲍勃·诺韦拉 [美]杰伊·诺韦拉
摘编/何也
编辑/何安安
校对/张彦君