太空殖民/殖民化/太空/概论

地球外殖民化

到达那里

正如我们已经讨论过的那样，太空殖民最危险和最昂贵的方面是将人送往那里。我们可以自动地为殖民地提供物资，即使存在可接受的失败率，但人类的运输不仅成本更高，而且技术挑战更大，主要问题将是殖民者在这个阶段的需求，需要考虑保持他们的健康和在抵达时能够执行任务。

和平号和国际空间站帮助我们了解了人类在长时间太空环境中停留时面临的大多数问题。主要问题仍然是隔离和长时间不活动带来的心理压力。但由于没有实际星际飞行的极端风险，心理数据可能有限，因为这种高风险和长时间航行的压力不可能在模拟中完全复制。

即使大多数似乎可以通过技术解决方案抵消，其他物理因素仍有待充分测试，例如零重力（或一般低重力）和辐射暴露水平问题。

当然，这给这种任务的候选人选择带来了更大的负担。有些人可能是经验丰富的宇航员，比如阿波罗任务中的宇航员，他们有驾驶经验，但大多数人需要具备更广泛的技能，以使殖民地的成功建立成为可能。

人口

关于建立一个自给自足人口的最低规模，在 2002 年，人类学家 约翰·H·摩尔 估计，150-180 人口将允许正常繁殖 60-80 代——相当于 2000 年。

只要地球上有人类胚胎可用，两个女性人类的更小初始人口应该是可行的。从地球使用精子库也可以在近乎零近亲繁殖的情况下，建立一个更小的起始基础。

保护生物学研究人员倾向于采用弗兰克林和苏尔最初提出的“50/500”经验法则。该规则指出，需要 50 的短期有效种群规模 (N_e) 来防止不可接受的近亲繁殖率，而长期 N_e 则需要 500 来维持整体遗传变异。N_e=50 的处方对应于每代 1% 的近亲繁殖率，大约是家畜育种者所能容忍的最大率的一半。N_e=500 的值试图平衡由于突变导致的遗传变异的增加率与由于遗传漂变导致的损失率。

有效种群规模 N_e 依赖于种群中的男性数量 N_m 和女性数量 N_f，公式如下

$N_{e}={\frac {4\times N_{m}\times N_{f}}{N_{m}+N_{f}}}$

志愿者

在选择志愿者时应谨慎。

能源

地球上可以通过多种方式发电。值得注意的是，有一些技术依赖于燃烧大量有机物或化石燃料，这些技术不适合早期太空殖民地，原因是需要大量的原材料以及大量的氧气和水。虽然太空殖民地无法利用地球上的一些电力生产技术，但许多技术在太空中运行良好甚至更好。此外，一些环境可能提供地球上无法实现的发电机会。

在太空中，特别是在靠近太阳的 missions 中，太阳能电池板通常用于为卫星和空间站供电。值得注意的是，太阳能电池板可以折叠起来发射，然后展开。不幸的是，在其他星球上的使用与地球上存在一些相同的缺点，即灰尘积累，这需要清洁机制或“清洁事件”来维护太阳能电池板的电力。火星探测漫游者在多次任务中都遇到了这个问题。

一些地区或任务将无法依赖太阳能电池板来提供持续的电力。在这些情况下，可以使用放射性同位素热电发生器可靠且轻松地从核衰变释放的热量中产生清洁能源。此类设备可以持续数十年产生少量电力，并且在特定 missions 类别的航天器中得到了广泛使用。

生命支持

人们需要空气、水、食物和合理的温度才能生存。在地球上，一个大型复杂的生物圈提供了这些。在太空定居点，将需要采用生物再生方法，使用生命形式来循环空气、水和有机废物。人们建议使用水培花园和藻类池作为相对较小的封闭系统的解决方案，该系统必须循环所有营养物质而不会“崩溃”。

著名的尝试建立模拟殖民地的例子是 生物圈 2，它试图复制 地球 的 生物圈。

许多太空机构为高级生命支持系统建造了试验台，但这些试验台是为长时间 载人航天 而设计的，而不是为殖民化而设计的。

亚利桑那州的生物圈 2 号项目表明，一个复杂、小型、封闭的人造生物圈可以至少支持 8 个人生活一年，尽管期间出现了许多问题。在为期两年的任务进行了一年左右后，氧气不得不补充，这强烈表明他们实现了大气闭合。

在星球上，氧气和液态水可以从纯净的水冰中获得。在月球上，氧气可以作为 regolith 加工的副产品生成。在火星上，氧气可以从水的电解（从永久冻土中提取）或沙巴提埃过程（从大气中提取 CO2）中获得。

生物体、它们的栖息地和非地球环境之间的关系可以是

• 生物体及其栖息地完全与环境隔离（例如 人造生物圈，生物圈 2 号，生命支持系统）
• 改变环境，使其成为适合生命的栖息地（称为 地球化）
• 改变生物体，使其更适应环境，即整合栖息地到生物体中（另请参见：基因工程，超人类主义，赛博格）

也可以将上述方法结合起来。

农业

水培法是一种古老的技术，利用富含营养的水而不是土壤种植植物，长期以来一直被认为是太空种植植物的选择。它非常节省空间和水，并且可以作为封闭式生命支持循环的一部分（氧气再生、水过滤和食物生产）。例如，有人建议将植物呼吸（水蒸气）纳入水净化和回收系统。自动化水培系统研究仍在继续。

为了节省能源，可以使用彩色光照射植物，省略它们不使用的频率。

动物由于其低质量效率以及对能量和空间的高需求，不太可能在短期内在太空中饲养。动物蛋白更有可能来源于昆虫和合成肉类（“盘中肉”）。

通讯

与其他需求相比，轨道和月球的通信相对容易。目前地球上的许多通信已经通过卫星进行。与火星及更远地区的通信会受到重大延迟的影响，使语音通话变得不切实际。

通信不仅依赖于基础设施，还依赖于能源，它还需要技术维护。

制造业

在地球上，如果一个人需要一把新的牙刷和一些牙膏，只需开车到附近的药店购买即可。在火星或月球上，最近的药店将距离数百万英里！至少一开始是如此。更重要的是，生产所有这些产品的制造能力同样遥不可及，位于地球引力井的底部。

即使是地球轨道殖民地，从地球发射材料也非常昂贵，因此散装材料应来自月球或近地天体（NEO - 轨道靠近地球的小行星和彗星），这些天体上的引力要小得多，没有大气，也没有生物圈会受到破坏。我们的月球含有大量的氧气、硅和金属，但氢、碳或氮很少。NEO 含有大量的金属、氧气、氢和碳。NEO 也含有一些氮，但可能不足以避免从地球获得主要供应。

就地制造商品

需要考虑的一点是，在“正常”重力不存在或发生变化的情况下，可以实现完全新颖的制造技术。在没有重力的条件下，具有表面张力的液体会形成完美的球体。巨大的材料可以用很少的能量移动。可用的温度范围可能非常大，可以通过巧妙地使用阴影和反射器来实现。不幸的是，这也带来了新的挑战，因为在太空中，必须对所有碎片进行核算，以防止其成为旅行隐患。

由于缺乏在科幻作品中看到的物质复制器技术，今天我们有能力进行 3D 打印，也称为快速原型制造，这允许从数字蓝图创建零件甚至整台机器，甚至食物也可以通过这种方式复制。这可以极大地减少运输零件的需要。

自我复制

自我复制是一个可选属性，但许多人认为它应该是最终目标，因为它允许以更快的速度增加殖民地数量，同时消除对地球的成本和依赖。可以说，建立这样一个殖民地将是 地球 第一次 自我复制 行为。

中间目标包括仅期望从地球获取信息（科学、工程、娱乐等）的殖民地，以及只需定期供应轻型物体的殖民地，例如 集成电路，药物，遗传物质以及可能的一些工具。

辐射防护

宇宙射线和太阳耀斑会在太空中造成致命的辐射环境。

为了保护生命，定居点必须被足够多的质量包围，以吸收大部分传入辐射。每平方米表面积大约需要 5-10 吨的材料。这可以通过将月球土壤和小行星加工成氧气、金属和其他有用材料后剩下的材料来实现。

不幸的是，这在实践中并不现实，例如在早期星际旅行中，将每公斤材料送入太空的成本很高，太空采矿尚未可行。更轻的材料可以为早期殖民者提供一定程度的保护。尤其值得注意的是水，因为它本身就是必需的重量，使其成为提供辐射防护的理想材料。 虽然用辐射照射水似乎很危险，但请记住，物质被照射（接受辐射）与物质被放射性（主动释放辐射）之间是有区别的。虽然目前没有用水进行这种操作，但宇航员 和宇航员 已经吃过辐照食品，因为该过程可以杀死许多病原体，从而提高宇航员的安全性和食品的保质期。

推进剂

整个太阳系的现场补给基础设施是太空开发中优先级最高的项目之一。通过在每个加油站基本上重置火箭方程，任何给定任务的燃料都将大幅减少，从而彻底改变了航空航天设计。丢弃已用完的级数变得不那么理想，而补充燃料则变得更加实际。火星飞船可以在到达火卫一的轨道时耗尽所有燃料，在火卫一上的一个加油站加油，然后进行推进式下降——这是一种在从地球带来的燃料下无法实现的机动。（来源：Greason, J. ISDC 2011 主旨演讲。http://www.nss.org/resources/library/videos/ISDC11greason.html）

• 水的电解会产生氢气和氧气，这是一种具有最高比冲之一的推进剂组合。这在含有水冰的月球和小行星上是可行的。
• 沙巴提埃反应已被提出，尤其是在火星直接计划中，用于将二氧化碳（火星上的原位）和氢气（从地球带来）转化为甲烷和氧气。氢气必须从地球带来，因为它在火星上的含量很低。幸运的是，它的质量非常小。（虽然火星上存在丰富的水冰，因此这可能是另一种可能性。）
• ALICE 概念在普渡大学进行了测试，它是一种固体火箭燃料，由水冰和纳米级铝粉组成。它很有吸引力，因为它可以在任何拥有足够水和铝的天体上生产，并且比低温推进剂更容易储存。
• 核热火箭可能能够使用从天体中提取的水或氢作为反应质量。

火星-500 实验

火星-500 实验（火星-500）（http://www.esa.int/SPECIALS/Mars500）从 2007 年持续到 2011 年，分三个阶段进行。该实验的最后阶段，即为期 520 天的模拟阶段，旨在模拟一个完整的载人任务，于 2011 年 11 月 4 日结束，六名志愿者被封闭在一个密闭的栖息地模块群中 520 天，以模拟使用现有技术进行火星任务。为了增加他们的隔离性，与任务控制中心的通信被人工延迟，以模拟火星飞行的自然延迟。在模拟期间，志愿者（机组人员）进行了一些实验，所有这些实验都与深空长时间任务的问题相关。模拟取得了成功，所有志愿者都设法保持身心健康，这表明火星之旅在心理层面上是可以成功的。

单程旅行

任何殖民外太空的单程旅行都将与人类历史上的任何事物不同。由于目的地缺乏必要的资源，存档返回的要求如果不是不可能的话也是极其困难的。即使存档，也可能需要几代人的时间，这使得这种类型的旅行对于殖民者来说，是一种自我强加的地球流放。当然，可以采取一些中间步骤，例如使用机器人创建必要的基础设施，然后再派遣殖民者，或者从地球建立持续的补给和支持结构，但由于距离遥远，可能的午餐窗口、时间和经济承诺将是巨大的，这在当今的技术水平下是难以承受的，而且在大多数国家使用的政治周期中可能是无法实现的。

殖民者选择

心理问题

在早期殖民地，特别是当机组人员冗余不可能的情况下，每个机组人员都可能需要尽其所能，才能使集体生存和繁荣。除了长时间太空环境导致的异常身体压力外，人们还可以预期会出现异常的精神压力。由于利害关系如此之大，早期殖民者必须具有心理韧性。

需要的资格

只要航天器只能容纳少量人，殖民者很可能需要执行超出单一领域的许多任务。

殖民者很可能根据他们为任务带来的贡献而被选中。毫无疑问，殖民地需要懂得如何维持殖民地运作的人，无论是工程师、农业学家，还是其他必要的职业。

早期殖民者的另一个关键资格是，他们拥有的技能能够使殖民地向其国内的支持者证明其存在的合理性。这些角色高度依赖于任务，但可能包括各种科学家、工业工程师、勘探者，或其他职业。

社会结构

(非)独立

应该认为，虽然殖民地依赖于来自地球或附近地点的物资，但它在政治上也会依赖，除非建立更合理的全球治理，否则自给自足的殖民地更有可能变得独立。殖民地可能会反抗并追求其独立的自身利益。在陆地文明中，这种情况通常发生在 10 到 100 年的时间范围内。即使是忠诚的殖民地也可能决定，帮助陷入困境的地球，或重新殖民地球，不利于其经济或政治利益。即使这样，目标仅仅是确保物种的生存，人们应该希望能够建立许多独立的殖民地，以便共同形成一道屏障，防止一个政府对整个人类的命运掌握太多权力。

经济学

任何没有经济意义的太空探险注定将是一次短期旅行，一旦其科学或政治目的达成，便会结束。早期殖民者将依赖地球的支持，以建立和维持一个不断增长的殖民地，因为初始殖民地可能无法满足自给自足所需的资源提取能力、人口和其他因素。

经济学有两个方面对太空探索特别重要，即盈利活动和成本降低。

太空站提供的失重环境下，有一些活动更具盈利性。

太空中的行星、小行星、卫星和其他天体通常包含地球上难以找到或制造的材料。资源提取可能足够有利可图，足以证明殖民的合理性。

成本降低使更多类型的殖民探险更有利可图。这已经在一般的太空旅行技术中有所体现，因为曾经不可想象的太空旅游现在已经成为超级富豪可以负担得起的现实。

生态和历史保护

当我们殖民其他行星体时，应该考虑可能发现本土生命，甚至其先前存在的遗迹。对这种生命和遗迹的保护和研究应该优先于殖民过程，就像我们发现建筑工地上具有考古价值的文物时所做的那样。

进化

当一个物种受到挑战时，当其生存受到威胁时，当其生育后代的持续存在受到威胁时，就会发生自然选择。仅仅将人类送到另一个地方，等待 100,000 年并不一定能产生不同的物种。

如果我们殖民遥远的星球，我们很可能在火星或木卫二等比地球更不友好的地方定居，而类似地球的地方在宇宙中似乎比较少见。人们预计，在殖民太空的过程中，人类最初会限制与他们将要居住的不友好星球的直接接触；相反，他们将生活在圆顶内，并使用太空服在外面工作。人类、人类的宠物、人类的寄生虫和一般复杂的生命不太可能适应例如火星 95% 的二氧化碳大气或木卫二 -160°C 的温度，因此我们甚至可以考虑改变我们的遗传物质和其他活体标本的遗传物质，以使它们更好地适应新的环境。然而，有一些不可避免的因素可能会随着时间的推移影响殖民者。这些因素包括被殖民地区的重力和辐射暴露（取决于殖民地对这种辐射暴露采取了多少措施）。

建设

可以从附近找到的合适的大石头或采石场开采的石头块中切割出重型建筑骨架。圆顶、隧道、城堡、大教堂、金字塔、仓库、工厂、铸造厂、水池、房屋和其他建筑都可以用这种方法非常廉价地建造。只需要将少数机器人从地球上带来。

建筑考虑因素

早期殖民建筑首先要为殖民者提供安全的住所。除此之外，它还应该具有实用性，以促进殖民事业的发展。审美方面的考虑也不容忽视，建筑应该具有吸引力，以帮助居民的心理健康，并在逆境中成为他们可以感到自豪的象征。