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赏金总量：30 USD
研究种类：Space Exploration，Asteroid City
原文作者: UNIVERSITY OF ROCHESTER
创作者：Hahaho@DAOrayaki.org
审核者：Yofu@DAOrayaki.org
原文: Wild Research Project Reveals How Future Cities on Asteroids Could Work
罗切斯特大学（University of Rochester）在最近发布的一篇论文中，阐述了一个“想象力十足”的设想，即用一个灵活的、由超轻和高强度的碳纳米纤维制成的网袋覆盖一颗小行星，作为未来人类太空城市的关键。图片来源：罗切斯特大学/Michael Osadciw
罗切斯特大学的科学家团队用物理学与工程学原理解释小行星何以成为可行的太空栖息地
在过去的一年，将自己送入了太空，Elon Musk资助了一个非专业宇航员参与的太空飞行活动。政府与私人实体的太空合作正变得愈发普遍，其中代表便是Musk的SpaceX与Bezos的Blue Origin（蓝色起源）。而随着名为“新太空”（New Space）运动的出现，航空公司致力于探索出适合大众的低成本太空通道，而不只是亿万富翁的游戏。
如若“远离”地球终将成为未来，一个可供数百万人工作生活，可容纳房屋，建筑抑或其它设施的空间则是必要的。在过去，太空城市的概念只存在于科幻小说中，但它在现实中可行吗？如果可行，它会是什么样的？
如果根据罗切斯特大学的最新研究，人类的未来或许在小行星上。在这篇“想象力十足”的论文中，研究人员阐述了一个在小行星上创建大型城市的计划。论文发表在《天文学和空间科学前沿》，参与的科学家包括Adam Frank，物理学和天文学教授Helen F.与Fred H. Gowen，以及机械工程博士候选人和论文第一作者Peter Miklavčič。
Frank表示：“这篇文章处于科学与科幻的交界。这是最近非常流行的科幻创意，在Amazon的苍穹浩瀚 (The Expanse)等电视节目中都有体现，同时我们提供了一个利用小行星创建城市的新方向。”
艺术家对欧尼尔圆柱体（O'Neill cylinder）的艺术创作，它也叫欧尼尔移民地（O'Neill colony），是美国物理学家Gerard K. O’Neill在1976年出版的《The High Frontier: Human Colonies in Space》一书中提出的太空定居概念。图片来源：Rick Guidice / NASA
旋转太空都市
1972年，NASA委托Gerard O’Neill设计一个可行的，适合人类居住的太空栖息地。于是O’Neill和其同事制定了“欧尼尔圆柱体”计划，旋转太空都市由两个旋转方向相反的圆柱体组成，每个圆柱体的两端由一个杆子连接。圆柱体的旋转速度要适中，既足以在其表面提供人造重力，又不至于使其中的居民出现晕动症状。
自此以后，包括《星际迷航》等影视作品，亦或是Orson Scott Card在1985年的科幻小说《安德的游戏》中都引入借鉴了欧尼尔圆柱体的太空栖息地概念。Bezos和Musk在各自对太空栖息地的未来设想中也都提到了欧尼尔圆柱体。
虽然欧尼尔圆柱体为太空缺乏重力的问题提供了一个解决方案，但将必需的建筑用品从地球运往太空，再制造欧尼尔圆柱体的方法极具技术难度，同时成本高昂。
“流行病项目”
在COVID-19流行与封控期间，Miklavčič，Frank和几个罗切斯特的学生与教师（John Siu，Esteban Wright，Alex Debrecht，机械工程助理教授Hesam Askari，物理学和天文学教授Alice Quillen）都在思考如何制造一个成本更低的欧尼尔圆柱体。
Miklavčič说：“这个项目最初只是物理学家与工程师们发泄的一种方式，暂时抛开世俗的压力，想象一些疯狂的事情。”
然后他们很快发现了一些可能：如果用小行星制造欧尼尔圆柱体呢？
更快，更便宜，更有效
小行星是围绕太阳运行的岩石体，由大约46亿年前太阳系形成时留下。科学家估计有大约1000个直径大于一英里的小行星在我们的太阳系中飞行。
Adam Frank曾表示：“这些围绕太阳旋转飞行的“庞然大物”可以为通往太空城市提供一个更快，成本更低，更有效的路径。”
除了数量繁多，小行星对于人类还有许多其他益处，比如小行星的岩石层可以提供一个天然的屏障，抵御来自太阳致命的宇宙辐射。
但研究人员发现小行星有几个主要的缺点：组成小行星的岩石不够坚固，从旋转中获得的地球重力的三分之一都无法承受。一旦小行星处于旋转状态，它就会断裂和破碎。此外，大多数小行星不是固体岩石，而是“瓦砾堆”（由松散的巨石、石块和沙子聚集而成），被太空中微弱的相互引力固定在一起。如果研究人员想用这些小行星制造太空栖息地，就必须想办法解决碎石堆的问题。
瓦砾管理
Miklavčič的研究重点是颗粒系统，即由许多微小颗粒组成的系统（比如沙子或颗粒），特别是这些系统在低重力或是无重力环境是如何反应作用的，例如太空漫游车在着陆时会如何影响与分散行星的颗粒表面。
Miklavčič说：“我平时的研究和这个项目像是两个极端，我一般会对颗粒状介质的颗粒级反应感兴趣，而这个项目需要更大的视野，要把瓦砾看作一个大系统来管理。”
同时，在建造小行星版本的欧尼尔圆柱体时会不可避免的产生瓦砾。Miklavčič和他的同事对创建小行星版本的欧尼尔圆柱体时需要的力量，材料和瓦砾处理方案进行了计算。
笼罩小行星
处理方案是一个巨大的，灵活的网袋。
研究人员设想用一个灵活的、由超轻的高强度碳纳米纤维制成的网袋（由碳制成的管子，每个管子的直径只有几个原子）来覆盖一颗小行星。这个袋子将包裹并支持整个小行星瓦砾的旋转和内部的居住环境，同时在旋转时也支持其自身的重量。
Miklavčič说：“相对于小行星瓦砾和栖息地质量而言，由碳纳米管构成的圆柱形密封袋非常轻，也足够坚固，可以将所有东西固定在一起。此外，碳纳米管开发正如火如荼，人们需要扩大其生产规模以用于更大规模的应用。”
理论上，整个过程会是这样：
- 旋转小行星以创造人工重力，这个过程不可避免地会导致小行星碎裂。
- 小行星的碎块被向外抛出，扩大包裹小行星的碳纳米纤维袋。
- 当袋子达到最大负荷时，碳纳米纤维会绷紧，抓住不断膨胀的碎石。
- 瓦砾沉淀在袋子上时，会产生一个厚层为居民屏蔽辐射，圆柱体的旋转将在内表面产生人工重力。
Frank说：“根据我们的计算，一颗直径300米的小行星只有几个足球场那么宽，扩展成圆柱形太空栖息地后，生活区大约有22平方英里，大概有整个曼哈顿大小。”
暂时只是理论
在小行星内部生活的想法目前仍属于科幻概念，但Frank和Miklavčič说，物理学和机械学可以使其成为现实。
Frank说：“显然，短期内建造小行星城市不太可能，但完成这种工程所需的技术并没有违背任何物理定律。”
研究人员在研究中所设想的一切，从旋转小行星所需的马达，到碳纳米纤维袋，都是人们目前正在使用或开发的技术。
小行星城市的想法可能看起来遥远，但1900年时飞机还不存在，然而现在有成千上万的人正舒适地坐在椅子上，以每小时数百英里的速度飞行。太空城市目前看来可能是一种幻想，但历史表明，一个多世纪的技术进步可以使很多不可能的事情成为可能。
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