李水旺新一期视频:
我们曾经探討过如何建造依靠旋转来產生重力的人造棲息地。
今天,我们要著眼於建造另一种人造棲息地,
这类棲息地的重力是单纯依靠自身巨大质量来提供的。
显然,建造一颗行星是一项规模相当浩大的工程,
而且会耗费海量的物质材料,
但这项工程本身並不像其他许多巨型建筑那样需要极高的技术水平。
它实际上更偏向於一种资源密集型的项目。
在地球上,每平方英尺的陆地下方,
都蕴藏著大约一百万吨的岩石和岩浆。
而对於旋转式棲息地来说,
即便是那种结构相当复杂、体积庞大的类型,
每平方英尺也只需要几吨的材料就足够了。
正因如此,这种人造行星通常被认为是不切实际的。
但在很多人看来,这类人造行星却有著更大的吸引力。
所以今天,我们要討论这个概念的一个变体,
一种相对更具可行性的变体 —— 壳体世界。
壳体世界的设计理念是,
不必整个结构体都採用岩石和金属这类密度极大的物质来建造。
壳体世界是在某种填充材料的外围,
包裹一层由岩石、水和空气构成的薄层外壳。
这样一来,壳体世界的材料消耗量就和旋转式棲息地相差无几了。
额外需要的只有填充材料,
这种填充材料在低技术版本的壳体世界中可以是氢或氦,
而在技术更先进的版本里,则可以使用人造黑洞或者暗物质之类的物质,
关於这一点,我们稍后再详细说明。
壳体世界的另一大优势在於,
它能让我们建造出不同大小的人造行星,
同时还能保证其表面拥有和地球相同的重力环境。
你也可以根据需求,將重力调整得比地球重力更高或者更低。
但壳体世界真正的魅力在於,
从实际应用的角度来说,它能够完美復刻地球的环境。
那么,我们先来快速了解一下重力的相关知识。
当你处於一个球体的外部时,
这个球体对你產生的引力大小与它的总质量成正比,
与你和它之间距离的平方成反比。
也就是说,
如果球体的质量增加一倍,
它对你產生的引力也会隨之增加一倍;
如果质量增加三倍,
引力同样会增加三倍。
反过来讲,
如果你的距离增加一倍,
受到的引力就会减弱至原来的四分之一;
距离增加三倍,
引力就会减弱至原来的九分之一;
距离增加十倍,
引力就只剩下原来的百分之一了。
但如果我们將一个类似地球的天体按比例放大,
比如把它的半径增加一倍,
那么它表面的重力就不会保持原来的水平了。
因为球体的体积与半径的立方成正比,
半径翻倍后,体积会变成原来的八倍,
质量也会隨之增加到原来的八倍,
引力强度原本也应该变为原来的八倍。
但与此同时,
你和天体中心的距离也增加了一倍,
这会导致引力减弱至原来的四分之一。
用八乘以四分之一,结果是二,
所以这个被放大后的 “地球”,其表面重力会是原来的两倍。
这显然不是我们想要的结果。
要解决这个问题,
我们可以使用密度只有原来一半的填充材料,
这样就能让天体的总质量也减少一半。
同理,
如果你想建造一个半径只有地球一半大,
但表面重力却和地球相同的行星,
就需要使用密度是地球物质两倍的填充材料。
这就是氢或氦这类气体能够派上大用场的原因。
你可以通过改变气体的压力来调整它的密度。
如果操作得当,
甚至可以利用高温高压的气体来抵消外壳的重量,
这样一来,外壳就不需要具备特別高的强度了。
我有时会把壳体世界的这种变体称为 “气球世界”。
气球內部的气压高於外部的大气压,
以此来抵消气球橡胶壁的张力,
壳体世界的这个变体运用的正是同样的原理。
实际上,
如果设计合理,
你甚至可以在这样的壳体世界上形成巨大的板块构造。
但关键在於,
要想让壳体世界拥有和地球相同的重力,
填充材料的密度必须与它和地球的尺寸比例成反比。
无论壳体世界的直径或半径与地球相比是多少,
填充材料的密度都要与之成反比。
直径扩大到地球的三倍,
填充材料的密度就需要降到地球物质密度的三分之一;
建造一个直径只有地球十分之一的行星,
填充材料的密度就需要达到地球物质密度的十倍。
另外一点非常关键的是,
无论你建造的壳体世界体积是大是小,
它每平方英尺的居住面积所消耗的材料质量都是相同的,
都是一百万吨。
不管你的壳体世界直径只有几十英里,
还是像土星那么大,
每平方英尺的生活区都需要消耗一百万吨的物质。
土星就是一个绝佳的例子。
土星的质量大约是地球的一百倍,
直径大约是地球的十倍。
如果我们在土星外围建造一个壳体,
那么这个壳体表面的重力就会和地球重力完全相同,
而且这个行星的居住面积將是地球的一百倍。
实际上,
真正起决定性作用的是天体的平均密度。
构成天体的物质甚至可以全部集中在一个点上,
比如,你可以把一个人造黑洞放置在某个位置,
然后围绕它建造一个壳体外壳。
如果你建造的壳体没有內部压力来支撑,
那么它就必须具备极高的强度。
如果有非常坚硬且强度极高的材料可用,
那自然不成问题。
但在很多情况下,
壳体所需要的强度远远超出了目前人类已知的任何材料的承受范围。
这时候,
我们之前討论过的轨道环就可以发挥作用了。
轨道环的原理是利用一群围绕行星运行的粒子流,
其运行模式和行星的环带类似,
通过磁力悬浮的方式,
就可以將壳体材料支撑在轨道环的上方。
建造轨道环的过程中,
它看起来是一个静止不动的固体结构,
但实际上,
它內部有大量物质在围绕行星高速运动,
就像一根被弯成圆环形状、装满了流动水的水管。
轨道环上承载的质量越大,
其內部物质的运动速度就需要越快,
才能支撑起这些重量。
你还可以在不同的角度建造另一个轨道环,
让它的位置比第一个轨道环稍高或者稍低一些。
这些轨道环其实不一定非要做成完美的圆形,
椭圆形也是可以的,
不过总体来说,圆形还是更合適一些。
毕竟我们最终要建造的是一个球体。
就这样,
你在不同的角度一个接一个地建造轨道环,
直到这些轨道环形成一个足够坚固的网状结构,
足以稳妥地支撑起整个壳体。
之后,你再在这个网状结构上铺上岩石、水和空气,
壳体世界的基础就搭建完成了。
不过,
除非人类已经掌握了可控核聚变技术,
否则建造这样一个壳体世界的可能性几乎为零。
这是因为,
首先,
建造这样的巨型结构以及维持轨道环的稳定运行,
都需要极其庞大的能源供应,
而可控核聚变正是这样一种理想的能源来源。
其次,
与旋转式棲息地相比,
建造壳体世界的物质消耗极其巨大,
只有可控核聚变技术,
或者人造黑洞技术的发展,
才能为这项浩大的工程提供合理的存在意义。
如果人类掌握了可控核聚变或者人造黑洞技术,
那么氢和氦这两种元素就会变得至关重要。
届时,
人类肯定希望能够將这些宝贵的资源储存在方便取用的地方。
我之前提到过,
无论壳体世界的规模大小,
每平方英尺的居住面积都需要消耗一百万吨的物质。
我们可以从能源的角度来换算一下这个概念。
如果你的填充材料完全由氢构成,
並且將这些氢全部转化为氦,
那么每一百万吨的氢就能释放出大约 6.3x1023 焦耳的能量。
而地球表面接收到的平均太阳辐射功率大约是每平方英尺 30 瓦,
换算下来,
每年每平方英尺的面积接收到的太阳能大约是十亿焦耳。
这就意味著,
壳体世界填充材料所蕴含的能量,
足以支撑这个棲息地运行大约 600 万亿年,
这个时间长度是太阳剩余寿命的十万倍还要多。
从本质上来说,
你其实是把填充材料当成了一个巨大的能量供应源。
你可以通过建造极高的 “灯塔” 来提供照明,
也可以在行星的內部放置一个人造太阳。
当填充材料的核聚变反应耗尽,
也就是 600 万亿年之后,
壳体世界的总质量会减少大约 7%,
相应地,
其表面的重力会降至原来的 99.3%。
这样微小的重力变化,
需要经过极其漫长的时间才会让生物產生適应的需求。
但如果你执意想要保持重力完全不变,
也可以缓慢地缩小壳体世界的体积来进行调整。
如果人类能够掌握黑洞或者暗物质的能量转换技术,
那么壳体世界的寿命还能再延长一百倍。
同时,
你可以通过持续缩小壳体的体积来维持重力稳定,
而体积的缩小又会降低棲息地运行所需的能量,
这会进一步延长壳体世界的寿命。
所以,
虽然壳体世界的物质消耗远远超过旋转式棲息地,
但从足够漫长的时间尺度来看,
壳体世界其实更加高效。