地球是人类的摇篮，而人类也终将走出摇篮，在未来，我们也许能凭借自己的智慧，在茫茫太空中修建新的家园。那么，这个新家园让人在外太空长期生存需要克服哪些困难？星辰大海中还有哪些我们可以利用的资源？人类在未来的外太空可能从事什么样的工作？

外太空需克服的难关

电影《流浪地球》中整个领航员空间站耗时30年建造完成，无论是空间实用性还是舒适度，都将有质的飞跃。不过要是想在宇宙中安全长久的居住，需要克服种种技术难关，载人航天器的动力问题，不管是从地球发射进入太空还是在太空中航行，以及如何让航天器获得高效的动力，恰恰是需要不断发展迭代的技术方案。

领航员空间站

在2019年的科幻电影《星际探索》中，男主角乘坐的飞行器抵达了海王星附近，但燃料也几乎耗尽，最后是通过核弹爆炸的威力使飞船获得了动能，最终返回地球。人类在移居太空前，可能还真的需要对现有的火箭推进系统进行升级，通常情况下，星际旅行的交通工具就是火箭推进的飞船，但我们不知道的是，人类现在使用的火箭其实是一种效率比较低的推进方式。根据动量守恒定律，火箭会以向后扔东西的方式获得前进的动力，每扔出去一点，火箭的质量就减轻一点，而把一个人运送到太空需要时速达到每秒11.2千米，至少需要消耗100升煤油，产生40亿焦耳的能量，并且当100升煤油跟着火箭一起升空时，还需要消耗额外的能量。以此类推，经过计算，要把全人类都送上太空，几乎要消耗地球上一半的石油储量。在上世纪60年代，研究人员设想通过在飞船后方连续爆炸核弹使飞船加速，当然，这种核动力运输的难点在于要保证飞船前进的同时，还不会被核弹炸毁，相对于核弹这种比较危险的方式，太空电梯则显得更为友好一些。其实在影片《星际探索》一开始出现的标志性建筑物就是太空电梯，

这种依靠万有引力和惯性离心力的作用，平衡的电梯可以方便在未来把人类送上太空。太空电梯的结构其实也不复杂，我们知道物体在地面上会受到地球的引力的作用，但是同时因为物体也会随着地球自转，因此它还会有惯性离心力。如果一个电梯特别高，它的万有引力和惯性离心力恰好相等的话，它就可以悬浮在空中。但是在靠近地面的位置，万有引力比较大，而在远离地面的位置，惯性离心力比较大。如果我们想建造成功这个电梯，那么必须要有一种材料能够扛住这个张力，这种材料就是碳纳米管。

碳纳米管

碳纳米管密度特别小，同时强度又特别大，所以如果我们能建造一个碳纳米管的太空电梯也许是可以的。但问题是，我们在实验室条件下制造出来的碳纳米管的最长的也就只有米这个量级，但是太空电梯大概要10万公里长，所以现在看起来理论和实际还是有很大的差距的。

长期的太空生存，尤其是在人造飞行器中生存，需要解决一个最基本的问题，那就是生存问题。如果人类离开地球，进入太空，开始一段长途旅行，他们如何解决食物、水和氧气的来源问题呢？

外太空的生存问题

以目前的技术水平维持人类生存所必需的食物、氧气和水都需要从地球上补给，如果想在远离地球摇篮的太空中长时间生存，就要开发能维持较长时间的小型生态体系，模拟出地球上的物质循环系统，并把它安装在飞船上，在科幻电影《火星救援》中，飞船里都会有一个类似种植园的区域，

电影《火星救援》中男主种土豆

从观影直觉上让观众感到这个区域似乎能够为船员们提供食物，甚至还能提供一部分氧气，所以船员的生命是有保障的。未来的空间站小型生态系统可能远比一个种植园复杂，使人类可以摆脱对地球的依赖。在空间站建立一个小规模的生态系统，我们的长期目标是让这个系统独立运转且可持续循环，这样它就可以再生许多物质，这其实这是陆地生态系统的模式重现，它可以进行水、碳元素、氮元素等等所有地球生命所需的物质的循环再生，这种生命支持系统是由一系列密封的容器，还有连接它们的管道所组成，将一些有异味的物质注入第一个容器，它们包括食物残渣和人类的排泄物。在容器内，一群细菌会分解这些有机物，然后这些混合物经过过滤膜，固体被滤出液体，被送入另一个容器。在这里，液体有另一种专门的细菌进行分解，这些废弃物逐渐被转化为硝酸盐和矿物盐，这些物质是蔬菜所需要的基本营养素。最后一个容器是生物反应器，所有营养物质被藻类植物吸收，人类排泄物被植物回收，而这些植物可以供给团队日常使用。此外，通过蒸腾作用，植物可以产生供宇航员饮用的淡水，还能通过光合作用将整个团队呼出的二氧化碳转化为氧气。

国际空间站已经成功培育出的蔬菜

当然生物反应器也必须为光提供空间，因为光是光合作用必不可少的元素，通过光合作用，微藻可以吸收二氧化碳，然后制造氧气继续生长。我们获得再循环后的氧气之后，微藻又将我们呼出的二氧化碳进行再利用，而后者又可以作为食物使用。构建起一个独立封闭的系统，宇航员可以呼吸饮食，他们的排泄物将会被回收，产生新的氧气和食物。为了精确控制整个循环，科学家们仍有很多工作要做。废物的类型，细菌的数量、增长速度和温度，每个参数都必须经过测试，最轻微的问题都可能会导致食物或者氧气短缺，更危险的是被污染的有害微生物可能产生毒素。

曾经有人设想，在未来的太空城市里，与地球联络的通信设备就会是量子光通讯机。目前，我国的天宫二号空间实验室就搭载了量子通讯设备，解决了航行时间和距离的困难。那么，以太空为家，终年生活在航天器里，我们要在这茫茫太空中做什么呢？

外太空可能从事的工作

第一种就是从事非常浪漫惬意旅游业，你可以为新来的游客提供最壮观、最难忘的太空体验。例如在宇宙飞船的甲板边缘来一次太空蹦迪，又或者去瞭望台和一颗熊熊燃烧的恒星擦肩而过，对于土生土长的地球人来说，这绝对是可以铭记终生的经历。还有另一种工作，对于人类的太空事业来说更重要，这项工作就是太空采矿。

太空采矿

他们会进一步促进和改善我们在太空中的生存条件，形成良性循环。有些人认为太空是一个巨大的开放的矿场，可以在数以百万计的小行星上开采物质，也许未来会有人成立采矿公司，对那些在太空中穿梭的岩石进行发掘、探测和发现。在小行星和彗星带的内部气候非常寒冷，存在大量的冰，冰水中含有氧和氢，有了氧气可以呼吸，氢和氧混合之后形成水，如果将其分离，然后重新进行分配就会得到油气。在收集和减少表面的冰层之后，坚硬的岩石材质才会被留下来，这样就可以在表面进行磁铁收集，金属也可以在表面用钢铁去分析。对行星采矿公司而言，小行星上面的燃料水平以及金属镍、金箔都十分有价值，他们的主要目标是建立提炼工厂和炼油厂来为经过的航天飞机补给材料，届时太空中的小行星将可以成为真正的燃料站。几十年后，人类也许可以无限遨游在太空中，随手获得他们所需要的资源。一些专家甚至考虑一种单程旅行，将人送入太空，永久定居。

总结

如果我们能在太空中有一个家，那么科学家们将能够在其中完成重要的研究。在科学方面以及若干领域实现重大突破，进一步推动人类的太空梦想，为未来人类文明的发展打下坚实基础。