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火星和月球,哪個更適合成為人類第一個外星永久殖民地?

2020-06-18知識

拉格朗日L4、L5點比月球、火星都適合。

月球坑爹在一天等於地球上一個月,這給人生活作息和利用太陽能都帶來不便。火星相對遠,沙塵暴也阻礙太陽能的利用,還會影響器材壽命。那稀薄的大氣層很坑人,一方面導致降落需要熱防護系統,一方面又因為稀薄低導致降落傘等氣動減速效果差,增加了風險。此外火星上可能存在或者可能曾經存在生命也是嚴重的潛在生化汙染風險,NASA計劃用4級生化安全等級(和埃博拉病毒同等待遇)設施處理以後從火星獲取的樣本。

太空殖民先驅——普林斯頓大學物理教師吉拉德·奧尼爾提出用月球、小行星提供材料,在地-月拉格朗日L4、L5點建太空殖民地最合理。




拉格朗日L4、L5點是太陽-地球重力平衡的位置,非常穩定,無需任何推進劑就能永久保持位置。同時有永遠不間斷陽光照射,可以充分利用太陽能。因此非常適合發展太空殖民、太空工業,然而有點遠。

幸運的是地球-月球之間同樣存在拉格朗日點,地球-月球拉格朗日L4、L5點也很穩定,而且從地球去地-月拉格朗日點所需能量和去月球軌域差不多,遠低於去月球表面。地-月拉格朗日點和日-地拉格朗日點的劣勢在每個月光照可能有極短時間被地球遮擋。

地-月拉格朗日點見下圖,太空殖民是地-月拉格朗日點,不是日-地拉格朗日點,之前我打錯了。



從近地小行星和月球獲取材料在L5、L4點建巨型空間站作為太空城市、太空工廠在短期內無疑是最佳選擇。這樣的空間站每個可容納的人口至少上萬,甚至可以有幾十萬、上百萬。太空殖民空間站能輕松提供提供巨大的宜居環境,內部連續打空間可能會比月球、火星上的城市寬敞(微重力下施工方便),透過緩慢的旋轉模擬人工重力。從技術上而言不存在什麽問題。現在空間站建的那麽小是因為受限於運載火箭整流罩容積和發射成本。然而當用上了月球、近地小行星的資源就不存在那些限制了。

奧尼爾教授認為L5點太空殖民社區巨大而舒適的居住面積、豐富的資源、無限的能源(太陽能)將會有效解決地球上領土爭端、資源糾紛、人口爆炸等問題。我覺得把高汙染工業搬上太空也能有效保護地球環境,微重力、高真空、無限能源等對工業的價值更不用多說。

主流太空殖民空間站構型主要分三種:史丹佛圓環、奧尼爾圓筒、伯納爾球體,我個人認為「史丹佛圓環」構型最適合初期萬余人左右、中小規模殖民。而伯納爾球體則更大一些,適合數萬乃至更多人生活。至於奧尼爾圓筒更適合幾十萬乃至更多人居住,這些空間站的質素可達幾百萬甚至上千萬噸。下面貼一些圖。

史丹佛圓環構型







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伯納爾球體構型










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奧尼爾圓筒構型





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有人可能覺得太宏偉難以實作,請想想現在人類在有重力阻礙的地球上就有各種令人驚奇的巨型工程,何況在重力抵消平衡的L4、L5點?碳纖維、碳納米管等新材料的發展成熟會讓實作起來更容易,至於透明部份就用堅硬的三氧化二鋁(藍寶石)。輻射遮蔽則是月球、小行星土壤,這些物質同時還能作為流星撞擊的防護層。在空間站足夠大的情況下,其大氣本身就能起到一定輻射遮蔽作用,日夜迴圈則是反射鏡的開閉實作。食物、氧氣、水等自給自足,產業則是太空工業,包括制造業(高真空、微重力優勢以及建造組裝大型飛船)、建築業(建造其他空間站包括給地球輸電的巨型太陽能發電衛星、服務業(飛船休整、旅遊等)。

在上世紀70年代奧尼爾教授曾認為20世紀末、21世紀初就能初步實作建太空殖民空間站,然而因為太空穿梭機經濟上的失敗導致這夢想不得不暫時擱置。可以想見,當完全可重復使用發射系統實作廉價的天地運輸,太空殖民空間站無疑會再次變得誘人,不再是空想。至於誰投資,我覺得這性質類似於國家建新城市、特區,本身也屬於人造國土。而月球的地位是工業、礦業中心,不會有大規模殖民。

有人覺得材料運輸貴會增加成本,實際上奧尼爾教授提出在月球上用質素加速器(可以說是大口徑電磁線圈炮)把月球開采的礦物發射到拉格朗日點,由機器人用特殊裝置捕獲。同時質素加速器也能作為近地小行星拖船的引擎,透過發射小行星上的土壤、巖石等物質產生反作用力從而實作變軌,推到L4、L5點用於建設。人工方面,大量使用機器人幹也不貴。

更妙的是目前已經發現地球也有準特洛伊小行星—— 2010 SO16 、 2010 TK7 就在日-地L4、L5點附近,以後如果從地-月拉格朗日點擴張到日-地拉格朗日點的話可以就地取材了。我相信這樣的小行星以後會發現更多的。

有人問在拉格朗日點能放一個還是更多空間站?對於這個問題請搜尋特洛伊小行星就知道了,特別是木星特洛伊、海王星特洛伊小行星群,都在其和太陽的拉格朗日L3、L4、L5點上。最大的木星特洛伊小行星直徑超過200千米,比星際大戰的死星還大,海王星特洛伊小行星裏也有個頭超過200千米的。特洛伊小行星數量非常多,據估計直徑超過1千米的木星特洛伊小行星達100萬顆。海王星特洛伊小行星的數量可能也毫不遜色。所以不用擔心空間站擠滿,至少幾萬個城市級大型空間站肯定沒問題。至於空間站之間乃至其他原因可能導致的極其微弱擾動,可以用太陽帆修正,無需任何推進劑。

此外簡單的想一想,如果L3、L4、L5點的物體容易受擾動而互相碰撞,那木星特洛伊、海王星特洛伊小行星群早就撞的合並成行星了,而不是依舊是無數小行星。下圖是木星特洛伊小行星示意圖,註意也根據位置分成三群,分別對應L3、L4、L5點。


NASA計劃於2021年發射的露西號飛船就是前往那裏的(下圖)。奧尼爾的殖民空間站可以看作人造地球特洛伊小行星。



有人說生產光伏電池的汙染和成本問題,其實在外太空還能用更廉價容易制造的光熱發電。用鍍鋁的聚合物薄膜制成巨大的反射鏡,聚焦陽光去燒水或者液氨成蒸汽推動渦輪機發電也可以加熱斯特林發動機的熱端發電。這相對容易制造,3D打印加數控機床就行。在地球上大型太陽能發電站基本也是光熱而不是光伏發電,國際太空站前身自由號空間站就考慮過光熱發電,當然那是基於斯特林迴圈而不是燒蒸汽(蘭金迴圈),雖然效率不如燒蒸汽驅動渦輪機但是能更小巧,見下圖。


下面是我簡單轉譯的NASA的太空太陽能熱蒸汽發電系統示意圖


下面是地球上的聚光太陽熱發電,用反射鏡聚焦然後燒水驅動蒸汽渦輪機發電而不是光伏電池。


有人覺得這光熱發電很龐大笨重,那請看下圖,NASA研究的用在空間站上的蘭金迴圈聚光太陽能熱發電系統,桁架粗細和國際太空站差不多,感受一下究竟大不大。




關於水源的問題,目前已發現月球兩極隕石坑裏有數以億噸的冰,這是最佳的來源。從主帶小行星搬運也不是不可能,由於太空中只有輻射傳熱,用多層高反射率隔熱薄膜裹住富含冰的小行星拖過來就行。

關於小行星采礦,NASA有個小行星重新導向任務( Asteroid Redirect Mission ),某種程度上也能算小行星采礦的試驗,捕獲近地小行星上的巨石運到月球附近。可惜今年年初預算被砍,不過技術上真的沒任何問題。





有人一再問為啥不建月球?因為從近地軌域去L4、L5需要4100米/秒的速度增量,而從近地軌域去月球表面則要6300米/秒速度增量,整整多了2200米/秒,這意味著需要消耗更多推進劑。此外從月球表面起降也需要起落架、相對強的引擎,意味著高效率低推力的離子推進器無法直接抵達月球表面,但能抵達L4、L5點。並且無論從地球還是月球去L4、L5點都比較經濟。可以說有利於從地球運器材運人,也有利於利用月球開采的礦物。而且不受日夜變化,每月只有極短的時間被地球陰影遮擋(相當於月食)平時都能使用充沛的太陽能。在月球的話一個月裏有一半時間連續見不到太陽,也就是月夜。舒服嗎?此外居民區一定要建在采石場、水泥廠等建材生產設施旁?月球相當於工業區特別是礦區,L4、L5相當於定居點。

和需要同等速度增量抵達的繞月軌域相比,由於是重力平衡抵消點所以L4、L5非常穩定,無需維持,而在月球軌域則受重力擾動和月球極其稀薄的大氣影響就不穩定,需要推進器點火修正、維持否則早晚墜毀在月球上。

建設並且維護天基巨型太陽能發電系統也是L4、L5城市群的重要業務。天基太陽能發電站是一種輕巧的超巨型結構衛星,長寬數以千米計。 每個巨型太陽能發電衛星輸出功率至少5000兆瓦,超過著名的胡佛大壩( 1345兆瓦 )太陽能發電衛星的電力透過微波或者激光來無線傳輸到地面, 理論上效率能超過60%。 波束和地面接受系統經過最佳化不影響環境保護,人站輸電波束中心都沒事。



這能很好的解決地球上的能源問題,也讓偏遠地區包括海島能從天上接電,無需自備發電機或者拉長長的電網。當然這些太空太陽能發電衛星用月球上材料建造。下圖就是月球上用來發射礦物到太空的質素加速器(巨型電磁炮)。




最後總結強調一下拉格朗日L4、L5點殖民的優勢

1交通方便最省力,需要的速度增量和地球前往月球軌域差不多,比從地球去月球表面著陸低的多,更不要說跟去火星比了。這能大大降低運輸成本,更好的是從月球去L4、L5點也非常方便,有利於月球礦產的運輸,可以說 從L4、L5去月球、去地球都容易,如同交通樞紐一樣。 具體關系見下圖,當然L5是指地-月拉格朗日L5點



2.有幾乎 不間斷的日光照射 ,不受日夜和惡劣天氣(例如火星上肆虐的超級沙塵暴)影響,提供了充沛而免費的能源(太陽能發電),有助於生活和生產,當然這是遠一些的日-地拉格朗日點,而地-月拉格朗日點還是會有極短時間被地球陰影遮擋的影響(相當於月食,時間自己感受),但比月球、地球的日夜變化好很多很多了, 請問誰喜歡每個月連續15天白晝再連續15天黑夜?空間站居住區的夜晚用反射鏡的開合實作。

3.不用擔心各種例如地震、滑坡等破壞巨大的地質災害影響,月球就有力道不小的月震。

4.微重力環境下便於建設施工,微重力和高真空本身也對制造業例如、蛋白質晶體、半導體芯片、冶金等非常有價值, 可以輕松生產地面乃至月球無法生產的獨特高質素產品。 這方面不難查,月球火星表面不是失重。

5.無需擔心潛在地外生物感染危害, 火星上因為可能存在或者可能曾經存在生物,而存在微生物感染危害人生命健康的風險(想想埃博拉恐怖不恐怖)

6.在合適的半徑和轉速的情況下, 巨型殖民空間站居住區的模擬人工重力和地球相同,都為1G,而不是火星和月球的低重力 ,有助於健康避免骨質疏松等問題。自旋產生的模擬人工重力無需燃料維持,慣性永遠轉動,因為沒有阻力。

7.可以任意擴大面積,用小行星和月球的礦產建空間站 不占用任何星球的土地 ,太空的空間很大,能放數不清的空間站。

8工業無需擔心環保問題,哪怕是最危險的核廢料在高真空、荒無人煙、浩瀚的太空中也危害不了生物圈, 真空無法燃燒,泄漏的汙染物也會被太陽風吹出太陽系。

9.大規模太空工業有助於以後進一步開發宇宙,特別是殖民空間站積累的經驗 可用於恒星際飛行的世代船上 。使得人類離開太陽系定居其他恒星的行星。

10.通訊方便,無需中繼衛星,始終能對著地球,也不存在明顯的難以忍受的通訊延遲(火星距離遠就有嚴重的通訊延遲)