如果人類真的能像科幻電影和小說中一樣，能在長久地在太空中航行，想想是不是有點小激動呢？

我的三體之星艦地球（來源：bilibili-我的三體）

說到這個我可就不困了。

前不久我國發(fā)射的問天實驗艙艙攜帶的水稻種子和擬南芥種子成功發(fā)芽，目前長勢良好。長成的太空水稻還有一個好聽的名字叫"小薇"。

長勢良好的太空水稻和擬南芥幼苗（來源：bilibili-我們的太空）

除此之外，問天實驗艙還搭載了一個生命生態(tài)實驗柜，在其中放置了藻類，水槽和斑馬魚形成了一個微小的生態(tài)系統(tǒng)。通過觀察微型生態(tài)系統(tǒng)的生命參數(shù)可以為將來在太空中建立大型生態(tài)系統(tǒng)打好基礎(chǔ) [1]。

所以，在太空中生活需要注意些什么呢？

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Part I：微重力的環(huán)境

首先，我們在太空中是感受不到重力的，大家可以隨便飛！

這是因為，當我們在宇宙飛船、空間站或者月球上時，由于它們都繞著地球轉(zhuǎn)動有一個向心加速度，可以作為一個非慣性參考系。我們在其中會受到慣性力，這個慣性力也可以被稱為慣性離心力，力的大小與地球的萬有引力相同，方向與萬有引力相反，所以就感受不到地球的重力了。

（Tips：非慣性參考系就是具有加速度的參考系，在分析非慣性參考系中物體的運動時要加上一個慣性力，慣性力的大小為物體的質(zhì)量乘以該參考系的加速度，方向與該參考系的加速度方向相反。）

在電影星際穿越中，主角團們在進入空間站后通過使空間站自轉(zhuǎn)而模擬出了重力，這個重力實際上是由于空間站自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的另一個慣性離心力。

星際穿越中旋轉(zhuǎn)的空間站（來源：電影星際穿越）

假設(shè)空間站的尺寸為100m，通過簡單的計算可以知道，要實現(xiàn)與在地球上相同的重力，空間站的轉(zhuǎn)速相當于地球自轉(zhuǎn)速度的6000倍。

同樣的，要改變重力，只需要設(shè)計一個可以提供不同轉(zhuǎn)速的裝置就可以了。在問天實驗艙中就設(shè)計了一個900mm大小的離心機，通過控制轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)重力的精細調(diào)節(jié)。

看到這里大家不禁想問，在地球上有沒有實現(xiàn)失重的辦法呢？

眾所周知，自由落體是一個失重過程。根據(jù)這個原理，人們發(fā)展了一種微重力實驗室：失重飛機。

一個架次的失重飛行由若干個失重拋物線組成，每個失重拋物線包括4個階段：急躍升階段、失重階段、下降階段和平飛階段[2]。每次飛行可以實現(xiàn)15~20次失重次數(shù)，每次失重可以持續(xù)25~28秒。失重水平可以達到0.01g。

失重飛機一次拋物飛行曲線示意圖（來源：參考文獻[3]）

除此之外，還可以將高空氣球在預定高度釋放落艙實現(xiàn)失重。這也是一個自由落體過程，失重時間在30~60s，失重水平可以達到10-4g [4]。這些微重力實驗室由于失重時間短所以只能完成一些簡單實驗，可以為之后進入太空中打好基礎(chǔ)。

依靠自由落體可以模擬出一個真實的失重環(huán)境。

除此之外，可以再想一下：如果給人施加一個向上的大小等于mg的力以抵消重力，不就也達到了失重的效果了嗎？

所以人們又發(fā)展了中性浮力水槽的失重實驗，人體通過在水中增加或減少漂浮器的方法，使人體受到的浮力和重力相等從而實現(xiàn)等效失重 [5]。

航天員進行水下訓練（來源：央視新聞）

但是注意在這種情況下，只是人體整體實現(xiàn)了失重的效果，人的組織、器官等還受到重力作用。通過這個方法可以模擬太空行走，失重工程控制等訓練。

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Part II：如何阻擋強輻射環(huán)境？

宇宙中的強輻射一般是高能量的粒子。一方面是始終存在的來自宇宙深處的高能質(zhì)子，離子，或者介子等帶電粒子；另一方面是偶然發(fā)生的太陽質(zhì)子事件。宇宙射線中最高能量的粒子的能量甚至能達到地球上加速器所能提供最大能量的幾千萬倍 [6]。

高能粒子照射到物體表面，會與物體表面的上的原子、分子發(fā)生相互作用。對于人體來說，強輻射會使皮膚受到損傷，誘導細胞癌變。

物質(zhì)中的原子一般通過共價鍵，離子鍵，金屬鍵，或者通過分子間的范德瓦爾斯力結(jié)合在一起。

這些結(jié)合方式本質(zhì)上是通過原子的外層電子實現(xiàn)的。

所以，如果原子中的外層電子從高能粒子中獲得能量，就會脫離出原子，進而破壞了這些化學鍵，導致原子之間無法穩(wěn)定結(jié)合，從而損傷物體。

除此之外，高能粒子可能會與原子中的內(nèi)層電子相互作用產(chǎn)生大量有害射線。

首先是電子獲得很高的能量直接從固體中脫出，其次是當內(nèi)層處于低能級的電子從固體中脫出后，外層處于高能級的電子躍遷到低能級從而輻射光子，輻射出的光子也被稱為x射線，然后輻射出的x射線進一步激發(fā)內(nèi)層電子從而輻射二次電子。

高能射線與原子中的電子相互作用

更高能量的粒子甚至可以和原子核相互作用，打破核力的束縛，從而輻射出質(zhì)子、中子。

那么如何阻擋這些高能粒子呢？

一個直接的想法是采用厚厚的材料作為屏障。但是這個方法需要極多的材料，即使屏蔽一個宇宙飛船大小的空間，所需要的防輻射材料就需要以噸為單位[6]。同時高能粒子與材料相互作用再產(chǎn)生的電子、中子、x射線等次級輻射，也會產(chǎn)生新問題。

另一個考慮是：既然這些高能輻射都是帶電粒子，那么利用電場或磁場是不是就可以約束粒子或者改變這些粒子的運動軌跡呢？

地磁場的作用就是這樣保護了地球上的生命不受宇宙高能射線的損傷。

帶電粒子在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用，從而改變運動軌跡。電場也會給帶電粒子施加電場力，從而改變粒子速度的大小和方向。

通過合理設(shè)計外部空間的電磁場分布，可以使來自宇宙的高能射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)或減速，從而保護我們的空間站。

值得一提的是，帶電粒子在電磁場中的運動軌跡，如下圖，是常見的高考題目了。

電子在電磁場中運動受到電場力和洛倫茲力的作用

所以小盆友，我這里有一套五三秘籍，帶領(lǐng)人類飛向宇宙的重任就交給你了！

我們可以在航天器表面通上電流產(chǎn)生磁場，模擬出地磁場的分布。

或者利用低強度的磁場使周圍空間中的熱電子聚集在航天器周圍，形成電子云，從而產(chǎn)生強大的電場，進而阻擋帶電粒子。

也可以在航天器主艙體上連接四個金屬球，分別帶負電，從而形成一個非對稱的靜電場分布，直接偏移周圍帶電粒子的運動軌跡。[6]

空間站主體艙加四金屬球防護裝置結(jié)構(gòu)圖（來源：餐參考文獻6）

當然實際操作中防輻射的防護材料和電磁場的方法肯定是需要搭配使用的。

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Part III：生活必需品：氧氣和水

要想在太空中長期生存，從地面上自帶氧氣和水畢竟是有限的，那么有哪些方便快捷的生產(chǎn)氧氣和水的方法呢？

電解水就是一個簡單的方法。通過構(gòu)造一個電解池，陽極處水分子被氧化失去電子生成氧氣和氫離子，氧氣隨著水流排出，氫離子與固體聚合物膜內(nèi)水分子結(jié)合后在電場的作用下遷移到陰極，陰極處氫離子得到外電路的電子被還原成氫氣。

固體聚合物電解水電解池原理圖（圖片參考自文獻[8]）

通過電解水除了得到了我們想要的氧氣之外，產(chǎn)生的氫氣也會有大用處。

人吸收氧氣呼出二氧化碳，注意到二氧化碳中也存在氧原子，所以可以利用二氧化碳與氫氣發(fā)生反應產(chǎn)生水。

但是由于氫氣和二氧化碳的性質(zhì)都比較穩(wěn)定，所以需要采用催化劑（金屬鐵、鈷、鎳、釕）在高溫高壓的環(huán)境下使其反應。由于二氧化碳和氫氣混合的比例不同會額外產(chǎn)生一氧化碳、碳單質(zhì)、甲烷、甲醇等物質(zhì)，所以在實際操作中需要仔細控制二者參與反應的比例防止產(chǎn)生不利物質(zhì)。

除此之外，利用過氧化鈉和二氧化碳之間的反應也可以生成氧氣。

利用二氧化碳制備水和氧氣的反應方程式

除了化學反應之外，我們還可以回收日常用水和尿液。通過蒸餾-冷卻的方式將純凈水再次制備出來。

水在太空中會表現(xiàn)出與在地面上不同的樣子，在沒有重力的情況下，水的內(nèi)部也不存在壓強了。但是由于水分子相互間的吸引力，水依然有表面張力。

一團水在太空中最自然的存在方式是形成一個球形。這是因為在相同體積的情況下，球形物體的表面積最小，而液體的表面能等于表面張力乘以表面積，所以在太空中保持球形可以使水的表面能量最低，也就是最穩(wěn)定的狀態(tài)。

在之前太空授課中有一個水穩(wěn)定地存在于杯子中的現(xiàn)象，和在地球上的杯中水一模一樣，廣大網(wǎng)友還對此展開了一番討論，這是怎么回事呢？

太空授課中與地面無異的杯中水

這是由于水與玻璃杯表面發(fā)生浸潤。

在固體與液體接觸的表面會有一層附著層。液體分子對附著層中分子的吸引力為內(nèi)聚力，方向指向液體內(nèi)部；固體分子對附著層中分子的吸引力為附著力，方向指向固體內(nèi)部。

若附著力大于內(nèi)聚力，則附著層分子所受的合力指向固體內(nèi)部，所以液體分子都會向附著層移動，但是這樣又增大了液體與固體的接觸面積從而增大表面能量，所以最終會形成如下圖所示的浸潤平衡的現(xiàn)象。[9]

液體浸潤現(xiàn)象（來源：秦允豪《熱學》）

Ps：這杯水是宇航員姐姐一滴一滴地擠到杯子里的（是一個很辛苦的過程呢），只要不再對其施加外力，這杯水就會一直保持那個樣子。

那么氣體在太空中又表現(xiàn)出什么現(xiàn)象呢？

相比于液體，氣體分子間的間距要大得多，所以就不存在分子間的吸引力了，氣體的壓強來自于氣體分子的熱運動，所以氧氣還是自然地逸散在空間中，和在地面上沒有區(qū)別。

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Part IV：種菜

我們將視角進一步往前看，如果在太空中可以大規(guī)模種植植物，建立生態(tài)系統(tǒng)，植物可以通過光合作用吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣，那么不僅可以解決水和氧氣的問題，同時也能解決食物的問題。

前面提到，在太空中大部分時間是處于微重力環(huán)境下的。對于植物來說，沒有了重力的約束，可能就不需要土壤的支撐了。細胞之間不再受到重力的擠壓，彼此間的距離就不會太緊湊，同時細胞可能會朝著四面八方肆意生長，這樣種出來的植物可能就會比在地球上大。

但是微重力也可能影響細胞骨架，導致細胞的生長可能出現(xiàn)畸形，或者會影響細胞膜的性質(zhì)，從而影響細胞間物質(zhì)的交流，同時微重力也會影響細胞分裂周期[10]。

總之，微重力對植物生長的作用依然是當下太空微重力科學研究的重點。我國發(fā)射的問天實驗艙也攜帶了研究微重力情況下植物和細胞生長的實驗艙。

在太空中大部分情況是缺少土壤的，所以可以采用水耕栽培的方法種植植物。水耕栽培又被稱為無土栽培，在地球上通常用來克服土壤栽培遇到的鹽漬化，病蟲害，酸堿失衡等困難[11]。水耕栽培通過調(diào)配適當?shù)?strong>營養(yǎng)液使植物生存。

一般的新鮮植物有75%~95%的部分為水分，剩下的干物質(zhì)包括C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S等基本元素和Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、Ni等微量元素，微量元素具有調(diào)節(jié)植物的新陳代謝，參與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和運輸、信號傳遞和滲透調(diào)節(jié)等功能[12]。

為了給植物提供足夠的基本元素和微量元素，我們可以將含各種元素的化合物與蒸餾水溶解混合調(diào)配成營養(yǎng)液，同時需要設(shè)定一定的溶液PH值。

栽培過程為首先選擇飽滿無蟲病的種子，其次消毒使其在培養(yǎng)過程中不被細菌感染。

然后用水浸種使種子吸足水分，種皮膨脹，從而使種子可以吸收氧氣，加強種子代謝、酶促反應等生命過程。

再其次等待其發(fā)芽后移栽至營養(yǎng)液中，最后定期更換營養(yǎng)液同時及時補充消耗的氧氣[12]。

以水稻水耕栽培為例，從左到右分別為水稻種子吸水露白，發(fā)芽以及移栽過程。（來源：參考文獻[12]）

土壤種植或許也是一種在太空中種植植物的方法。比如在電影火星救援中，主角就是通過利用糞便種植土豆為生。

馬克在火星種土豆（來源：電影火星救援）

但是要大面積的進行土壤種植還是需要更加細致的研究外星球土壤的理化性質(zhì)，然后對土壤進行改造，使土壤可以儲存水分、礦物質(zhì)。同時土壤中必須存在細菌、真菌組成的生物群落以保證植物根際圈的存在，這是因為微生物的氮代謝，發(fā)酵和呼吸作用等生命活動對植物根系生長有著重要作用，微生物與植物間形成共生、拮抗和寄生的關(guān)系[13]。

總之，在太空中進行土壤種植依然處于一個暢想的階段，我們先安下心來研究一下剛從月球帶回來的月壤吧。誒嘿！

失去夢想之月壤不能種菜（來源：bilibili-光明日報）

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Part V：用電問題

通過以上的分析過程，想要在太空中生存，不管是生產(chǎn)氧氣和水，或者種植植物，更不用提空間站和儀器的運行，這些都是需要大量的能量或者電力。那么在太空中如何發(fā)電呢？

能直接想到的一個方法當然是利用太陽能發(fā)電了，也就是利用光電效應將光能轉(zhuǎn)化為電能。

對于一個原子來說，電子分布在原子核外部的各個能級之上，當兩個原子互相靠近時，這些能級就會發(fā)生分裂。對于固體來說，其內(nèi)部存在大量互相靠近的原子，同時由于原子排列是周期性的，會導致原子中的電子軌道互相交叉從而形成能量連續(xù)分布的能帶。能容納電子的部分稱為允帶，不能容納電子的部分稱為禁帶。禁帶的大小稱為能隙。

允帶又分為導帶和價帶。對于一個半導體來說，在沒有外部干擾的情況下，絕大部分電子都處在價帶中，不參與導電。只有少部分電子受溫度影響會躍遷到導帶中參與導電，溫度越高，躍遷到導帶中的電子越多，這就是半導體隨溫度升高導電性會變好的原因。這些熱電子為平衡載流子。

固體中能帶的形成過程及半導體的電子分布

對半導體實施不同的摻雜會變成n型半導體和p型半導體。比如對于硅單質(zhì)來說，它本身是一個本征半導體，也就是激發(fā)到導帶的電子和價帶的空穴一樣多。

如果摻雜磷原子，會額外引入一個電子，從而導致電子比空穴多，主要靠電子導電，也就成為n型半導體。如果摻入硼原子，會額外引入一個空穴，從而導致空穴比電子多，主要靠空穴導電，也就是成為p型半導體。

將p型半導體和n型半導體合在一起就成為了pn結(jié)。

由于n型半導體中電子濃度更高，所以電子會發(fā)生空間擴散，從n型半導體中擴散到p型半導體中。電子離開n型半導體原本的區(qū)域后會留下不可移動的正離子實，形成了正電荷空間區(qū)域；電子進入p型半導體填補了原本區(qū)域中的空穴，形成了負離子實的負電荷空間區(qū)域。電子的空間擴散導致原本中性的二者出現(xiàn)了空間電荷區(qū)域，從而在內(nèi)部形成電場[11]。

當光照射到半導體上時，如果光子的能量大于半導體的禁帶寬度，大量電子會吸收光子的能量躍遷到導帶中稱為非平衡載流子。對于pn結(jié)來說，這些非平衡載流子通過內(nèi)部自發(fā)的電場發(fā)生遷移，形成電流。太陽能電池就是依靠這個基本原理將光能轉(zhuǎn)化為電能。

pn結(jié)光生電流原理示意圖

除此之外也可以利用核反應發(fā)電。核能發(fā)電目前主要的方式是核裂變，未來期望能實現(xiàn)可控核聚變。

不管是核聚變還是核裂變，基本原理都是原子核在極高溫下失去質(zhì)子或中子，質(zhì)子和中子重新形成新的原子核。新原子核形成的過程中，參與反應的舊原子核和質(zhì)子中子的總質(zhì)量大于新的原子核的質(zhì)量，這是因為原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子是靠核力的吸引結(jié)合在一起的，所以結(jié)合能是負的。所以在后面這個過程會發(fā)生質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，虧損的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為巨大的能量。

比如一個典型的輕核聚變過程為氘核（一個質(zhì)子加一個中子）反應生成氦原子核（兩個質(zhì)子加兩個中子）、質(zhì)子和中子的過程，中間產(chǎn)物伴隨著氚核（一個質(zhì)子加兩個中子）和氦3（兩個質(zhì)子加一個中子）的產(chǎn)生[15]：

那么如何將核能轉(zhuǎn)化為電能呢？

其實方法很簡單，就是燒開水。核能加熱水使其變成具備很高動能的水蒸氣，水蒸氣吹動機械葉片通過電磁感性效應產(chǎn)生交流電。

交流發(fā)電機原理圖（圖源：百度百科）

未來是否能發(fā)展其他的發(fā)電方式呢？

答案是有的，比如利用熱電材料進行溫差發(fā)電。

對于一個熱電材料來說，如果其兩端有著不同的溫度，就會產(chǎn)生一個電動勢，連接上導線短路，就會產(chǎn)生電流。

熱電效應示意圖（來源：參考文獻[16]）

熱電效應最早由德國科學家塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)。其基本原理為：對于半導體來說，其熱端的載流子會比冷端具有更大的動能；同時，前面我們提到，熱激發(fā)也會使載流子從價帶躍遷到導帶，所以熱端躍遷到導帶的載流子更多。兩者共同的作用使得載流子會擴散到冷端，從而使得半導體兩端產(chǎn)生電荷的積累。

比如對于n型半導體，電子從熱端遷移到冷端，從而在冷端積累負電荷，熱端形成正電荷區(qū)域，所以半導體的兩端就會形成電勢差。[16]

目前熱電材料依然處于發(fā)展階段，但也有著廣闊的應用前景。

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結(jié)語

好了，你已經(jīng)掌握了在太空中生存所需要了解的基本知識了，做好去太空安家和冒險的準備了嗎？

雖然但是，人類要飛向宇宙還有著很遠的路，需要依靠各行各業(yè)每個人共同的努力。

總之，讓我們向著遠方的星辰和宇宙的深淵，前進！