太空殖民/殖民化/太空/概論

地球外殖民化

到達那裡

正如我們已經討論過的那樣，太空殖民最危險和最昂貴的方面是將人送往那裡。我們可以自動地為殖民地提供物資，即使存在可接受的失敗率，但人類的運輸不僅成本更高，而且技術挑戰更大，主要問題將是殖民者在這個階段的需求，需要考慮保持他們的健康和在抵達時能夠執行任務。

和平號和國際空間站幫助我們瞭解了人類在長時間太空環境中停留時面臨的大多數問題。主要問題仍然是隔離和長時間不活動帶來的心理壓力。但由於沒有實際星際飛行的極端風險，心理資料可能有限，因為這種高風險和長時間航行的壓力不可能在模擬中完全複製。

即使大多數似乎可以透過技術解決方案抵消，其他物理因素仍有待充分測試，例如零重力（或一般低重力）和輻射暴露水平問題。

當然，這給這種任務的候選人選擇帶來了更大的負擔。有些人可能是經驗豐富的宇航員，比如阿波羅任務中的宇航員，他們有駕駛經驗，但大多數人需要具備更廣泛的技能，以使殖民地的成功建立成為可能。

人口

關於建立一個自給自足人口的最低規模，在 2002 年，人類學家 約翰·H·摩爾 估計，150-180 人口將允許正常繁殖 60-80 代——相當於 2000 年。

只要地球上有人類胚胎可用，兩個女性人類的更小初始人口應該是可行的。從地球使用精子庫也可以在近乎零近親繁殖的情況下，建立一個更小的起始基礎。

保護生物學研究人員傾向於採用弗蘭克林和蘇爾最初提出的“50/500”經驗法則。該規則指出，需要 50 的短期有效種群規模 (N_e) 來防止不可接受的近親繁殖率，而長期 N_e 則需要 500 來維持整體遺傳變異。N_e=50 的處方對應於每代 1% 的近親繁殖率，大約是家畜育種者所能容忍的最大率的一半。N_e=500 的值試圖平衡由於突變導致的遺傳變異的增加率與由於遺傳漂變導致的損失率。

有效種群規模 N_e 依賴於種群中的男性數量 N_m 和女性數量 N_f，公式如下

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

志願者

在選擇志願者時應謹慎。

能源

地球上可以透過多種方式發電。值得注意的是，有一些技術依賴於燃燒大量有機物或化石燃料，這些技術不適合早期太空殖民地，原因是需要大量的原材料以及大量的氧氣和水。雖然太空殖民地無法利用地球上的一些電力生產技術，但許多技術在太空中執行良好甚至更好。此外，一些環境可能提供地球上無法實現的發電機會。

在太空中，特別是在靠近太陽的 missions 中，太陽能電池板通常用於為衛星和空間站供電。值得注意的是，太陽能電池板可以摺疊起來發射，然後展開。不幸的是，在其他星球上的使用與地球上存在一些相同的缺點，即灰塵積累，這需要清潔機制或“清潔事件”來維護太陽能電池板的電力。火星探測漫遊者在多次任務中都遇到了這個問題。

一些地區或任務將無法依賴太陽能電池板來提供持續的電力。在這些情況下，可以使用放射性同位素熱電發生器可靠且輕鬆地從核衰變釋放的熱量中產生清潔能源。此類裝置可以持續數十年產生少量電力，並且在特定 missions 類別的航天器中得到了廣泛使用。

生命支援

人們需要空氣、水、食物和合理的溫度才能生存。在地球上，一個大型複雜的生物圈提供了這些。在太空定居點，將需要採用生物再生方法，使用生命形式來迴圈空氣、水和有機廢物。人們建議使用水培花園和藻類池作為相對較小的封閉系統的解決方案，該系統必須迴圈所有營養物質而不會“崩潰”。

著名的嘗試建立模擬殖民地的例子是 生物圈 2，它試圖複製 地球 的 生物圈。

許多太空機構為高階生命支援系統建造了試驗檯，但這些試驗檯是為長時間 載人航天 而設計的，而不是為殖民化而設計的。

亞利桑那州的生物圈 2 號專案表明，一個複雜、小型、封閉的人造生物圈可以至少支援 8 個人生活一年，儘管期間出現了許多問題。在為期兩年的任務進行了一年左右後，氧氣不得不補充，這強烈表明他們實現了大氣閉合。

在星球上，氧氣和液態水可以從純淨的水冰中獲得。在月球上，氧氣可以作為 regolith 加工的副產品生成。在火星上，氧氣可以從水的電解（從永久凍土中提取）或沙巴提埃過程（從大氣中提取 CO2）中獲得。

生物體、它們的棲息地和非地球環境之間的關係可以是

• 生物體及其棲息地完全與環境隔離（例如 人造生物圈，生物圈 2 號，生命支援系統）
• 改變環境，使其成為適合生命的棲息地（稱為 地球化）
• 改變生物體，使其更適應環境，即整合棲息地到生物體中（另請參見：基因工程，超人類主義，賽博格）

也可以將上述方法結合起來。

農業

水培法是一種古老的技術，利用富含營養的水而不是土壤種植植物，長期以來一直被認為是太空種植植物的選擇。它非常節省空間和水，並且可以作為封閉式生命支援迴圈的一部分（氧氣再生、水過濾和食物生產）。例如，有人建議將植物呼吸（水蒸氣）納入水淨化和回收系統。自動化水培系統研究仍在繼續。

為了節省能源，可以使用彩色光照射植物，省略它們不使用的頻率。

動物由於其低質量效率以及對能量和空間的高需求，不太可能在短期內在太空中飼養。動物蛋白更有可能來源於昆蟲和合成肉類（“盤中肉”）。

通訊

與其他需求相比，軌道和月球的通訊相對容易。目前地球上的許多通訊已經透過衛星進行。與火星及更遠地區的通訊會受到重大延遲的影響，使語音通話變得不切實際。

通訊不僅依賴於基礎設施，還依賴於能源，它還需要技術維護。

製造業

在地球上，如果一個人需要一把新的牙刷和一些牙膏，只需開車到附近的藥店購買即可。在火星或月球上，最近的藥店將距離數百萬英里！至少一開始是如此。更重要的是，生產所有這些產品的製造能力同樣遙不可及，位於地球引力井的底部。

即使是地球軌道殖民地，從地球發射材料也非常昂貴，因此散裝材料應來自月球或近地天體（NEO - 軌道靠近地球的小行星和彗星），這些天體上的引力要小得多，沒有大氣，也沒有生物圈會受到破壞。我們的月球含有大量的氧氣、矽和金屬，但氫、碳或氮很少。NEO 含有大量的金屬、氧氣、氫和碳。NEO 也含有一些氮，但可能不足以避免從地球獲得主要供應。

就地製造商品

需要考慮的一點是，在“正常”重力不存在或發生變化的情況下，可以實現完全新穎的製造技術。在沒有重力的條件下，具有表面張力的液體會形成完美的球體。巨大的材料可以用很少的能量移動。可用的溫度範圍可能非常大，可以透過巧妙地使用陰影和反射器來實現。不幸的是，這也帶來了新的挑戰，因為在太空中，必須對所有碎片進行核算，以防止其成為旅行隱患。

由於缺乏在科幻作品中看到的物質複製器技術，今天我們有能力進行 3D 列印，也稱為快速原型製造，這允許從數字藍圖建立零件甚至整臺機器，甚至食物也可以透過這種方式複製。這可以極大地減少運輸零件的需要。

自我複製

自我複製是一個可選屬性，但許多人認為它應該是最終目標，因為它允許以更快的速度增加殖民地數量，同時消除對地球的成本和依賴。可以說，建立這樣一個殖民地將是 地球 第一次 自我複製 行為。

中間目標包括僅期望從地球獲取資訊（科學、工程、娛樂等）的殖民地，以及只需定期供應輕型物體的殖民地，例如 積體電路，藥物，遺傳物質以及可能的一些工具。

輻射防護

宇宙射線和太陽耀斑會在太空中造成致命的輻射環境。

為了保護生命，定居點必須被足夠多的質量包圍，以吸收大部分傳入輻射。每平方米表面積大約需要 5-10 噸的材料。這可以透過將月球土壤和小行星加工成氧氣、金屬和其他有用材料後剩下的材料來實現。

不幸的是，這在實踐中並不現實，例如在早期星際旅行中，將每公斤材料送入太空的成本很高，太空採礦尚未可行。更輕的材料可以為早期殖民者提供一定程度的保護。尤其值得注意的是水，因為它本身就是必需的重量，使其成為提供輻射防護的理想材料。 雖然用輻射照射水似乎很危險，但請記住，物質被照射（接受輻射）與物質被放射性（主動釋放輻射）之間是有區別的。雖然目前沒有用水進行這種操作，但宇航員 和宇航員 已經吃過輻照食品，因為該過程可以殺死許多病原體，從而提高宇航員的安全性和食品的保質期。

推進劑

整個太陽系的現場補給基礎設施是太空開發中優先順序最高的專案之一。透過在每個加油站基本上重置火箭方程，任何給定任務的燃料都將大幅減少，從而徹底改變了航空航天設計。丟棄已用完的級數變得不那麼理想，而補充燃料則變得更加實際。火星飛船可以在到達火衛一的軌道時耗盡所有燃料，在火衛一上的一個加油站加油，然後進行推進式下降——這是一種在從地球帶來的燃料下無法實現的機動。（來源：Greason, J. ISDC 2011 主旨演講。http://www.nss.org/resources/library/videos/ISDC11greason.html）

• 水的電解會產生氫氣和氧氣，這是一種具有最高比衝之一的推進劑組合。這在含有水冰的月球和小行星上是可行的。
• 沙巴提埃反應已被提出，尤其是在火星直接計劃中，用於將二氧化碳（火星上的原位）和氫氣（從地球帶來）轉化為甲烷和氧氣。氫氣必須從地球帶來，因為它在火星上的含量很低。幸運的是，它的質量非常小。（雖然火星上存在豐富的水冰，因此這可能是另一種可能性。）
• ALICE 概念在普渡大學進行了測試，它是一種固體火箭燃料，由水冰和奈米級鋁粉組成。它很有吸引力，因為它可以在任何擁有足夠水和鋁的天體上生產，並且比低溫推進劑更容易儲存。
• 核熱火箭可能能夠使用從天體中提取的水或氫作為反應質量。

火星-500 實驗

火星-500 實驗（火星-500）（http://www.esa.int/SPECIALS/Mars500）從 2007 年持續到 2011 年，分三個階段進行。該實驗的最後階段，即為期 520 天的模擬階段，旨在模擬一個完整的載人任務，於 2011 年 11 月 4 日結束，六名志願者被封閉在一個密閉的棲息地模組群中 520 天，以模擬使用現有技術進行火星任務。為了增加他們的隔離性，與任務控制中心的通訊被人工延遲，以模擬火星飛行的自然延遲。在模擬期間，志願者（機組人員）進行了一些實驗，所有這些實驗都與深空長時間任務的問題相關。模擬取得了成功，所有志願者都設法保持身心健康，這表明火星之旅在心理層面上是可以成功的。

單程旅行

任何殖民外太空的單程旅行都將與人類歷史上的任何事物不同。由於目的地缺乏必要的資源，存檔返回的要求如果不是不可能的話也是極其困難的。即使存檔，也可能需要幾代人的時間，這使得這種型別的旅行對於殖民者來說，是一種自我強加的地球流放。當然，可以採取一些中間步驟，例如使用機器人建立必要的基礎設施，然後再派遣殖民者，或者從地球建立持續的補給和支援結構，但由於距離遙遠，可能的午餐視窗、時間和經濟承諾將是巨大的，這在當今的技術水平下是難以承受的，而且在大多數國家使用的政治週期中可能是無法實現的。

殖民者選擇

心理問題

在早期殖民地，特別是當機組人員冗餘不可能的情況下，每個機組人員都可能需要盡其所能，才能使集體生存和繁榮。除了長時間太空環境導致的異常身體壓力外，人們還可以預期會出現異常的精神壓力。由於利害關係如此之大，早期殖民者必須具有心理韌性。

需要的資格

只要航天器只能容納少量人，殖民者很可能需要執行超出單一領域的許多工。

殖民者很可能根據他們為任務帶來的貢獻而被選中。毫無疑問，殖民地需要懂得如何維持殖民地運作的人，無論是工程師、農業學家，還是其他必要的職業。

早期殖民者的另一個關鍵資格是，他們擁有的技能能夠使殖民地向其國內的支持者證明其存在的合理性。這些角色高度依賴於任務，但可能包括各種科學家、工業工程師、勘探者，或其他職業。

社會結構

(非)獨立

應該認為，雖然殖民地依賴於來自地球或附近地點的物資，但它在政治上也會依賴，除非建立更合理的全球治理，否則自給自足的殖民地更有可能變得獨立。殖民地可能會反抗並追求其獨立的自身利益。在陸地文明中，這種情況通常發生在 10 到 100 年的時間範圍內。即使是忠誠的殖民地也可能決定，幫助陷入困境的地球，或重新殖民地球，不利於其經濟或政治利益。即使這樣，目標僅僅是確保物種的生存，人們應該希望能夠建立許多獨立的殖民地，以便共同形成一道屏障，防止一個政府對整個人類的命運掌握太多權力。

經濟學

任何沒有經濟意義的太空探險註定將是一次短期旅行，一旦其科學或政治目的達成，便會結束。早期殖民者將依賴地球的支援，以建立和維持一個不斷增長的殖民地，因為初始殖民地可能無法滿足自給自足所需的資源提取能力、人口和其他因素。

經濟學有兩個方面對太空探索特別重要，即盈利活動和成本降低。

太空站提供的失重環境下，有一些活動更具盈利性。

太空中的行星、小行星、衛星和其他天體通常包含地球上難以找到或製造的材料。資源提取可能足夠有利可圖，足以證明殖民的合理性。

成本降低使更多型別的殖民探險更有利可圖。這已經在一般的太空旅行技術中有所體現，因為曾經不可想象的太空旅遊現在已經成為超級富豪可以負擔得起的現實。

生態和歷史保護

當我們殖民其他行星體時，應該考慮可能發現本土生命，甚至其先前存在的遺蹟。對這種生命和遺蹟的保護和研究應該優先於殖民過程，就像我們發現建築工地上具有考古價值的文物時所做的那樣。

進化

當一個物種受到挑戰時，當其生存受到威脅時，當其生育後代的持續存在受到威脅時，就會發生自然選擇。僅僅將人類送到另一個地方，等待 100,000 年並不一定能產生不同的物種。

如果我們殖民遙遠的星球，我們很可能在火星或木衛二等比地球更不友好的地方定居，而類似地球的地方在宇宙中似乎比較少見。人們預計，在殖民太空的過程中，人類最初會限制與他們將要居住的不友好星球的直接接觸；相反，他們將生活在圓頂內，並使用太空服在外面工作。人類、人類的寵物、人類的寄生蟲和一般複雜的生命不太可能適應例如火星 95% 的二氧化碳大氣或木衛二 -160°C 的溫度，因此我們甚至可以考慮改變我們的遺傳物質和其他活體標本的遺傳物質，以使它們更好地適應新的環境。然而，有一些不可避免的因素可能會隨著時間的推移影響殖民者。這些因素包括被殖民地區的重力和輻射暴露（取決於殖民地對這種輻射暴露採取了多少措施）。

建設

可以從附近找到的合適的大石頭或採石場開採的石頭塊中切割出重型建築骨架。圓頂、隧道、城堡、大教堂、金字塔、倉庫、工廠、鑄造廠、水池、房屋和其他建築都可以用這種方法非常廉價地建造。只需要將少數機器人從地球上帶來。

建築考慮因素

早期殖民建築首先要為殖民者提供安全的住所。除此之外，它還應該具有實用性，以促進殖民事業的發展。審美方面的考慮也不容忽視，建築應該具有吸引力，以幫助居民的心理健康，並在逆境中成為他們可以感到自豪的象徵。