正文 第259章 旋转栖息地
李水旺新一期视频：
今天的主题是旋转栖息地，这一主题的内容会相当长，所以我们马上切入正题。
我们今天的主题是旋转栖息地，想要了解旋转栖息地，首先要知道这类设施有着诸多选择，而它们的唯一共同点就是离心力。
如果你身处一个没有重力的地方，却想获得重力，目前我们能实现这一点的方法只有两种：要么聚集大量物质，利用其产生的自然重力；要么通过旋转模拟重力，说白了就是利用离心力来模仿重力的效果。
你大概率已经知道什么是离心力了，我们在日常生活中总会遇到这种力。
你可能也听过有人把它称作假想力，更准确地说，在惯性参考系中，离心力并不存在，但从实际应用的角度来说，它的效果真实可循。
说它真实，是因为它能像重力一样，把物体牢牢压在表面上，即便实际的重力并不存在。
而且只要你让旋转的航天器体积足够大，基本上比足球场还大就行，这种模拟出来的重力，对于大多数生物活动来说都能达到实用效果。
所以我们可以打造一个巨大的环形、圆柱形、环形山状的结构，或是任何具有径向对称性的物体，比如球体，让它旋转起来，其内壁就会成为可供行走的地面。
你甚至可以在上面跳上跳下，落地的位置也和预想的一致，因为这种模拟重力会一直起作用，即便你的脚离开地面也不例外。
由于科里奥利效应的存在，你下落的轨迹并不会是完全的垂直向下，但在规模合适的旋转栖息地上，普通人的跳跃幅度根本无法察觉这种落点偏差，除非借助高精度的仪器。
不过，这也让我们发现了利用旋转模拟重力的第一个问题：科里奥利效应可能会让人感到不适，它会作用在人体上，引发头晕和恶心。
就目前的研究来看，只要旋转速度低于每分钟两转，这种效应就不会对任何人产生影响，而且我们认为人类能够适应每分钟20转甚至更高的旋转速度。
这其实和晕动症的原理差不多。
问题在于，旋转速度越慢，产生的模拟重力就越弱。
这一点在空间站上倒也无妨，我们可以挑选对科里奥利效应敏感度较低的宇航员，采用低重力的设计方案。
比如打造一个直径30英尺的金属舱体，让它以每分钟10转的速度在太空中旋转，就能为宇航员营造出半重力的环境。
对于火星任务来说，这样的设计或许是可行的，毕竟宇航员本就需要适应火星的低重力环境，而且也可以准备大量的晕动药来应对可能出现的晕动反应。
但探讨重点并非空间站或航天飞船，而是成熟完备的旋转栖息地——能让人类舒适地体验熟悉生活环境的地方。
因此，我们所关注的，是能以舒适的方式模拟出地球标准重力的设计，而非其他方案。
想要在低旋转速度下获得更强的模拟重力，就必须让旋转结构的直径更大。
如果希望在每分钟2转的阈值下模拟出地球重力，那么旋转结构的直径需要达到约1500英尺，也就是457米左右。
这基本是打造适宜人类居住环境的最低门槛，毕竟核心需求是居住的舒适性，结构可以做得更宽，但最好不要比这个尺寸更窄。
不过，结构的直径也不能无限制扩大，因为在不降低模拟重力的前提下，直径越大，结构所承受的应力就越大。
以钢材为例，通常认为其能支撑的旋转结构直径上限约为数英里；而对于凯夫拉纤维或碳纳米管这类材料来说，这个上限会高得多。
简单来说，一种材料在常规重力下的断裂长度，决定了用该材料打造、模拟地球重力的环形栖息地的最大周长，原理其实是相通的。
而且由于是在太空的真空环境中运行，除了启动旋转所需的初始能量外，后续几乎不需要额外补充能量就能维持旋转。
这也是真空环境中的机械飞轮能成为极具吸引力的储能电池方案的原因——没有空气阻力带来的减速，甚至还能在紧急情况下，利用一部分维持旋转重力的能量来供电。
旋转栖息地的直径受建筑材料的强度和所需模拟的重力大小限制，但其长度却没有这样的约束，既可以是一个薄薄的环形结构，也可以是一个细长得超乎想象的圆柱体。
以上就是关于旋转栖息地的基础介绍，包括模拟重力的实现原理，以及设计时需要考虑的核心制约因素。
从长远来看，旋转栖息地的意义远不止为宇航员规避健康问题，我们要做的，是完**类从未真正实现过的壮举：创造更多的生存空间。
诚然，我们曾打造过人工岛，也曾开山凿石、向上建造高楼，但总的来说，尽管我们让陆地和海洋变得更适合人类居住，却从未真正拓展过地球的生存空间本身。
地球是我们唯一的家园，它的面积是固定不变的。
如果想要容纳更多人口，只能依靠改进农业技术。
我们介绍过一些利用核聚变技术大幅提升地球人口承载能力的方法，在不破坏生态环境、不降低生活水平的前提下，实现人口的增长。
未来我们还会探讨其他进一步提升人口承载能力的方式，但归根结底，一颗星球能舒适容纳的人口数量终究是有限的，总有耗尽空间的一天。
而旋转栖息地，为我们提供了拓展生存空间的可能。
这类设施的经典设计是奥尼尔圆柱体，它的长度为20英里，直径为5英里，这个直径基本是钢材能支撑的、让人感到安全的最大尺寸。
这意味着它的内部表面积可达314平方英里，面积大约是关岛的15倍，罗得岛州的三分之一，长岛的四分之一，与岛国马耳他的面积几乎持平。
奥尼尔圆柱体绝对不是一个小物件。
如果使用钛合金，其可支撑的直径大约能达到钢材的四倍；而石墨烯这类材料，理论上能让我们打造出规模超乎想象的旋转栖息地。
我们还可以将多个这样的结构连接起来，像串香肠一样排成一列，或是以其他各种方式组合。
因此，材料强度并非限制旋转栖息地实际内部可用面积的关键因素，因为多个结构可以近乎无缝地连接在一起，形成一个更大的整体，只不过这个整体更像是群岛，而非一片广阔连续的平原。
不过，栖息地的层数也不能过多，因为即便只是为内部照明产生的废热，也会让环境变得过于炎热，即便在圆柱体上安装大量的辐射散热翅片，也难以解决这个问题。
在太空中，热量只能通过辐射的方式散发出去，就像地球自身向外散发热量的方式一样。
以上就是旋转栖息地的基本介绍，以及设计和建造这类设施需要面对的核心问题。
接下来，我们来聊聊其中更有趣的方面，还有一些需要攻克的挑战。
第一个也是最显而易见的大问题，就是成本。
目前，我们需要将每一份建筑材料都耗费巨资运送到太空中，这让旋转栖息地的建造成本高得离谱。
太空中有大量小行星可供我们开采利用。
如果未来人类能发明核聚变技术，那么自动化制造和3d打印技术也会得到极大的发展，再加上一种或多种低成本发射系统的建成，成本问题便可以暂时搁置。
毋庸置疑，从零开始打造新的生存空间是一项浩大的工程，但只要掌握了核聚变、先进制造技术和低成本发射技术这三项，实现这一目标就有了可能。
其实即便没有核聚变技术也能建造旋转栖息地，但核聚变技术能让我们省去很多麻烦，比如无需借助镜子将阳光反射到栖息地内部，也无需设置透明区域，甚至可以将栖息地建在离太阳较远的地方。
这意味着我们可以直接利用小行星带的小行星资源，无需将其拖到太阳附近，也无需打造巨大的抛物面镜来为栖息地采光。
在继续探讨之前，我们先来纠正一个关于旋转栖息地的常见误区：认为能看到这类设施在旋转。
到目前为止，你在其他地方看到的内容，几乎都把旋转栖息地描绘成正在旋转的样子。
尤其是有人提到在中空的小行星内部建造旋转栖息地时，总会说让小行星本身旋转起来，这种说法就大错特错了。
因为只有体积最大的那些小行星，才会产生些许可察觉的表面重力，而且所有小行星本质上都是由碎石松散聚集而成的，一旦为了模拟地球重力让其旋转，整个小行星都会分崩离析。
不过，利用中空小行星建造栖息地的思路本身是正确的，因为在你与太空之间的这些岩石层，能为你提供良好的辐射和陨石防护。
但关键在于，栖息地的防护层并不需要和内部的旋转结构一起转动，就像离心机或洗衣机的外壳不需要跟着内部一起旋转一样。
事实上，让防护层随旋转结构一起转动是非常愚蠢的做法。
带有旋转舱段的航天器，从外部根本看不到一个巨大的、正在转动的中心枢纽，能看到的只是嵌套在内部、不随之一同旋转的超级防护结构。
这样一来，承担防护作用的超级结构就不会因旋转承受各种应力，即便遭受撞击也能保持稳定。
更重要的是，任何物体撞击旋转的结构时，其相对撞击速度都会因旋转而加快或减慢，而撞击造成的损伤几乎与动能直接相关，而动能是与速度的平方成正比的。
即便有一半的物体撞击速度稍慢，另一半稍快，整体遭受的损伤依然会更大。
因此，在旋转栖息地内部，你会和结构一起旋转，根本察觉不到它在转动；而在外部，栖息地被不旋转的超级防护结构包裹着，同样看不到旋转的迹象，甚至这些防护结构还可能以相当慢的速度向相反方向旋转。
防护材料也不一定非得是岩石、冰或金属，宇宙中最常见的氢和氦，也能成为防护材料。
按重量计算，氢是抵御宇宙辐射的最佳材料之一。
所以我们可以在旋转栖息地周围，打造一个装满氢
今天的主题是旋转栖息地，这一主题的内容会相当长，所以我们马上切入正题。
我们今天的主题是旋转栖息地，想要了解旋转栖息地，首先要知道这类设施有着诸多选择，而它们的唯一共同点就是离心力。
如果你身处一个没有重力的地方，却想获得重力，目前我们能实现这一点的方法只有两种：要么聚集大量物质，利用其产生的自然重力；要么通过旋转模拟重力，说白了就是利用离心力来模仿重力的效果。
你大概率已经知道什么是离心力了，我们在日常生活中总会遇到这种力。
你可能也听过有人把它称作假想力，更准确地说，在惯性参考系中，离心力并不存在，但从实际应用的角度来说，它的效果真实可循。
说它真实，是因为它能像重力一样，把物体牢牢压在表面上，即便实际的重力并不存在。
而且只要你让旋转的航天器体积足够大，基本上比足球场还大就行，这种模拟出来的重力，对于大多数生物活动来说都能达到实用效果。
所以我们可以打造一个巨大的环形、圆柱形、环形山状的结构，或是任何具有径向对称性的物体，比如球体，让它旋转起来，其内壁就会成为可供行走的地面。
你甚至可以在上面跳上跳下，落地的位置也和预想的一致，因为这种模拟重力会一直起作用，即便你的脚离开地面也不例外。
由于科里奥利效应的存在，你下落的轨迹并不会是完全的垂直向下，但在规模合适的旋转栖息地上，普通人的跳跃幅度根本无法察觉这种落点偏差，除非借助高精度的仪器。
不过，这也让我们发现了利用旋转模拟重力的第一个问题：科里奥利效应可能会让人感到不适，它会作用在人体上，引发头晕和恶心。
就目前的研究来看，只要旋转速度低于每分钟两转，这种效应就不会对任何人产生影响，而且我们认为人类能够适应每分钟20转甚至更高的旋转速度。
这其实和晕动症的原理差不多。
问题在于，旋转速度越慢，产生的模拟重力就越弱。
这一点在空间站上倒也无妨，我们可以挑选对科里奥利效应敏感度较低的宇航员，采用低重力的设计方案。
比如打造一个直径30英尺的金属舱体，让它以每分钟10转的速度在太空中旋转，就能为宇航员营造出半重力的环境。
对于火星任务来说，这样的设计或许是可行的，毕竟宇航员本就需要适应火星的低重力环境，而且也可以准备大量的晕动药来应对可能出现的晕动反应。
但探讨重点并非空间站或航天飞船，而是成熟完备的旋转栖息地——能让人类舒适地体验熟悉生活环境的地方。
因此，我们所关注的，是能以舒适的方式模拟出地球标准重力的设计，而非其他方案。
想要在低旋转速度下获得更强的模拟重力，就必须让旋转结构的直径更大。
如果希望在每分钟2转的阈值下模拟出地球重力，那么旋转结构的直径需要达到约1500英尺，也就是457米左右。
这基本是打造适宜人类居住环境的最低门槛，毕竟核心需求是居住的舒适性，结构可以做得更宽，但最好不要比这个尺寸更窄。
不过，结构的直径也不能无限制扩大，因为在不降低模拟重力的前提下，直径越大，结构所承受的应力就越大。
以钢材为例，通常认为其能支撑的旋转结构直径上限约为数英里；而对于凯夫拉纤维或碳纳米管这类材料来说，这个上限会高得多。
简单来说，一种材料在常规重力下的断裂长度，决定了用该材料打造、模拟地球重力的环形栖息地的最大周长，原理其实是相通的。
而且由于是在太空的真空环境中运行，除了启动旋转所需的初始能量外，后续几乎不需要额外补充能量就能维持旋转。
这也是真空环境中的机械飞轮能成为极具吸引力的储能电池方案的原因——没有空气阻力带来的减速，甚至还能在紧急情况下，利用一部分维持旋转重力的能量来供电。
旋转栖息地的直径受建筑材料的强度和所需模拟的重力大小限制，但其长度却没有这样的约束，既可以是一个薄薄的环形结构，也可以是一个细长得超乎想象的圆柱体。
以上就是关于旋转栖息地的基础介绍，包括模拟重力的实现原理，以及设计时需要考虑的核心制约因素。
从长远来看，旋转栖息地的意义远不止为宇航员规避健康问题，我们要做的，是完**类从未真正实现过的壮举：创造更多的生存空间。
诚然，我们曾打造过人工岛，也曾开山凿石、向上建造高楼，但总的来说，尽管我们让陆地和海洋变得更适合人类居住，却从未真正拓展过地球的生存空间本身。
地球是我们唯一的家园，它的面积是固定不变的。
如果想要容纳更多人口，只能依靠改进农业技术。
我们介绍过一些利用核聚变技术大幅提升地球人口承载能力的方法，在不破坏生态环境、不降低生活水平的前提下，实现人口的增长。
未来我们还会探讨其他进一步提升人口承载能力的方式，但归根结底，一颗星球能舒适容纳的人口数量终究是有限的，总有耗尽空间的一天。
而旋转栖息地，为我们提供了拓展生存空间的可能。
这类设施的经典设计是奥尼尔圆柱体，它的长度为20英里，直径为5英里，这个直径基本是钢材能支撑的、让人感到安全的最大尺寸。
这意味着它的内部表面积可达314平方英里，面积大约是关岛的15倍，罗得岛州的三分之一，长岛的四分之一，与岛国马耳他的面积几乎持平。
奥尼尔圆柱体绝对不是一个小物件。
如果使用钛合金，其可支撑的直径大约能达到钢材的四倍；而石墨烯这类材料，理论上能让我们打造出规模超乎想象的旋转栖息地。
我们还可以将多个这样的结构连接起来，像串香肠一样排成一列，或是以其他各种方式组合。
因此，材料强度并非限制旋转栖息地实际内部可用面积的关键因素，因为多个结构可以近乎无缝地连接在一起，形成一个更大的整体，只不过这个整体更像是群岛，而非一片广阔连续的平原。
不过，栖息地的层数也不能过多，因为即便只是为内部照明产生的废热，也会让环境变得过于炎热，即便在圆柱体上安装大量的辐射散热翅片，也难以解决这个问题。
在太空中，热量只能通过辐射的方式散发出去，就像地球自身向外散发热量的方式一样。
以上就是旋转栖息地的基本介绍，以及设计和建造这类设施需要面对的核心问题。
接下来，我们来聊聊其中更有趣的方面，还有一些需要攻克的挑战。
第一个也是最显而易见的大问题，就是成本。
目前，我们需要将每一份建筑材料都耗费巨资运送到太空中，这让旋转栖息地的建造成本高得离谱。
太空中有大量小行星可供我们开采利用。
如果未来人类能发明核聚变技术，那么自动化制造和3d打印技术也会得到极大的发展，再加上一种或多种低成本发射系统的建成，成本问题便可以暂时搁置。
毋庸置疑，从零开始打造新的生存空间是一项浩大的工程，但只要掌握了核聚变、先进制造技术和低成本发射技术这三项，实现这一目标就有了可能。
其实即便没有核聚变技术也能建造旋转栖息地，但核聚变技术能让我们省去很多麻烦，比如无需借助镜子将阳光反射到栖息地内部，也无需设置透明区域，甚至可以将栖息地建在离太阳较远的地方。
这意味着我们可以直接利用小行星带的小行星资源，无需将其拖到太阳附近，也无需打造巨大的抛物面镜来为栖息地采光。
在继续探讨之前，我们先来纠正一个关于旋转栖息地的常见误区：认为能看到这类设施在旋转。
到目前为止，你在其他地方看到的内容，几乎都把旋转栖息地描绘成正在旋转的样子。
尤其是有人提到在中空的小行星内部建造旋转栖息地时，总会说让小行星本身旋转起来，这种说法就大错特错了。
因为只有体积最大的那些小行星，才会产生些许可察觉的表面重力，而且所有小行星本质上都是由碎石松散聚集而成的，一旦为了模拟地球重力让其旋转，整个小行星都会分崩离析。
不过，利用中空小行星建造栖息地的思路本身是正确的，因为在你与太空之间的这些岩石层，能为你提供良好的辐射和陨石防护。
但关键在于，栖息地的防护层并不需要和内部的旋转结构一起转动，就像离心机或洗衣机的外壳不需要跟着内部一起旋转一样。
事实上，让防护层随旋转结构一起转动是非常愚蠢的做法。
带有旋转舱段的航天器，从外部根本看不到一个巨大的、正在转动的中心枢纽，能看到的只是嵌套在内部、不随之一同旋转的超级防护结构。
这样一来，承担防护作用的超级结构就不会因旋转承受各种应力，即便遭受撞击也能保持稳定。
更重要的是，任何物体撞击旋转的结构时，其相对撞击速度都会因旋转而加快或减慢，而撞击造成的损伤几乎与动能直接相关，而动能是与速度的平方成正比的。
即便有一半的物体撞击速度稍慢，另一半稍快，整体遭受的损伤依然会更大。
因此，在旋转栖息地内部，你会和结构一起旋转，根本察觉不到它在转动；而在外部，栖息地被不旋转的超级防护结构包裹着，同样看不到旋转的迹象，甚至这些防护结构还可能以相当慢的速度向相反方向旋转。
防护材料也不一定非得是岩石、冰或金属，宇宙中最常见的氢和氦，也能成为防护材料。
按重量计算，氢是抵御宇宙辐射的最佳材料之一。
所以我们可以在旋转栖息地周围，打造一个装满氢
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