建造一艘宇宙飛船以承載人類世代相傳的激進計劃

穿越太空深處，在另一個星球上播下人類文明種子的夢想已經(jīng)存在了幾代人。

自從我們知道宇宙中的大多數(shù)恒星都可能有自己的行星系統(tǒng)以來，就有人主張我們探索它們（甚至定居它們）。

隨著太空時代的到來，這個想法不再只是科幻小說中的內(nèi)容，而成為一個科學研究的問題。不幸的是，冒險超越地球并到達另一個恒星系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是無數(shù)的。

歸根結(jié)底，只有兩種方法可以將載人任務發(fā)送到系外行星。首先是開發(fā)可以達到相對論速度（光速的一小部分）的先進推進系統(tǒng)。第二個涉及建造可以維持幾代人宇航員的航天器——也就是。一代飛船（或世界飛船）。

2024 年 11 月 1 日，Hyperion 項目發(fā)起了一項設計競賽，旨在通過世代飛船進行載人星際旅行，該飛船將依賴于當前和近未來的技術(shù)。該競賽向公眾開放，將為創(chuàng)新概念頒發(fā)總計 10,000 美元 （USD） 的獎金。

Hyperion 項目是一個由建筑師、工程師、人類學家和城市規(guī)劃師組成的國際跨學科團隊。他們中的許多人曾與 NASA、ESA 和麻省理工學院 （MIT） 等機構(gòu)和機構(gòu)合作。

他們的比賽由星際研究倡議 （i4is） 贊助，這是一個在英國注冊成立的非營利組織，致力于實現(xiàn)機器人和人類探索以及附近恒星周圍系外行星定居的研究。

雖然星際飛船的概念可以追溯到早期的太空時代，但在過去的二十年里，人們對該領(lǐng)域的興趣已經(jīng)大大增長。這主要是由于最近我們銀河系中已知系外行星的數(shù)量激增，目前為4,325 個恒星系統(tǒng)中的 5,787 顆已確認的行星.

這可以通過以下概念來說明：突破 Starshot,成群的比鄰星和創(chuàng)世項目.這些概念利用克級航天器、定向能（激光）和光帆來實現(xiàn)高達光速 20% 的速度，使它們能夠在幾十年而不是幾個世紀或幾千年內(nèi)完成旅程。

然而，將載人航天器送往其他載人航天器，并有足夠的乘客在另一個星球上定居，這要困難得多。

如上一篇，依賴于已知或技術(shù)上可行的推進方法的航天器將采取1,000 和 81,000年才能到達最近的恒星（比鄰星）。

雖然一些高級概念（如獵戶座項目,代達羅斯和伊卡洛斯理論上可以在 36 到 85 年內(nèi)到達比鄰星，但所需推進劑的成本和數(shù)量令人望而卻步。

這些“快速行駛”概念的替代方案是適應可能持續(xù)幾個世紀甚至數(shù)千年的長途旅行。這需要一艘足夠大小的航天器，能夠在幾代人中容納數(shù)百（或數(shù)千）人。

為了節(jié)省空間并減少貨物空間的質(zhì)量，機組人員將需要種植大量食物，并依靠本質(zhì)上是生物可再生的生命支持系統(tǒng)。簡而言之，這艘船需要能夠自給自足，這樣乘客才能過上舒適、健康的生活，直到他們到達目的地。

安德烈亞斯·海因，盧森堡大學航空航天工程副教授和安全、可靠與信任跨學科中心是 Hyperion Project 組委會的一部分。正如他所說的今日宇宙通過電子郵件：

“想想無人機和遠洋客輪之間的區(qū)別。以前對星際航天器的設計，如獵戶座、代達羅斯和伊卡洛斯，都集中在無人探測器上，其主要目的是從目標恒星系統(tǒng)收集科學數(shù)據(jù)，包括尋找生命跡象。

“相比之下，代運船旨在運送船員，其主要目標是在目標恒星系統(tǒng)中安頓系外行星或其他天體。它們也往往比星際探測器大得多，盡管它們可能會使用類似的推進系統(tǒng)，例如基于聚變的推進系統(tǒng)。

世代飛船

已知的第一次對一代飛船的描述是由火箭工程師提出的羅伯特·戈達德，“現(xiàn)代火箭之父”之一，對他來說美國宇航局戈達德太空飛行中心已命名。

在他 1918 年的文章中，”終極遷移“他描述了一個”星際方舟“，在太陽達到其生命周期的終點后，在遙遠的未來離開太陽系。乘客將低溫凍結(jié)或處于誘發(fā)性麻痹在大部分旅程中，除了飛行員，他會定期被喚醒以駕駛船只。

戈達德建議，如果這項技術(shù)得以實現(xiàn)，這艘船就由原子能提供動力。如果不是，氫、氧和太陽能的組合就足夠了。戈達德計算出，這些動力源將使船只能夠達到 4.8 至 16 公里/秒（3 至 10 英里/秒）的速度，或大約 57,936 公里/小時（36,000 英里/小時）。

緊隨其后的是著名的俄羅斯火箭科學家和宇宙學家康斯坦丁 E. 齊奧爾科夫斯基也被公認為“現(xiàn)代火箭之父”之一。1928 年，他寫了一篇題為”地球和人類的未來“描述了星際的”諾亞方舟”。

在齊奧爾科夫斯基的版本中，宇宙飛船將是自給自足的，船員們將為持續(xù)數(shù)千年的旅程保持清醒。

1964 年，美國宇航局科學家Robert Enzmann 博士提出了迄今為止最詳細的一代飛船概念，稱為”恩茲曼星際飛船."該提案要求建造一艘長 600 米（2,000 英尺）的飛船，由使用氘作為推進劑的聚變推進器提供動力。據(jù) Enzmann 稱，這艘船將容納 200 名初始船員，并在此過程中有擴展空間。

近年來，這個概念從生物學和心理學到倫理學等各個角度進行了探索。這包括由 Frederic Marin 博士進行的一系列研究（2017-2019 年）。斯特拉斯堡天文臺使用定制的數(shù)值軟件（稱為遺產(chǎn)).

在前兩項研究中，Marin 博士和同事進行了模擬，結(jié)果表明最少 98 名船員（最大 500）需要與精子、卵子和胚胎以確保遺傳多樣性和抵達后的身體健康。

在第三項研究，馬林博士和另一組科學家確定，載有他們的船需要長 320 米（1050 英尺），半徑為 224 米（735 英尺），并包含 450 平方米（~4,850 平方英尺）的人工土地來種植足夠的食物來維持他們。

簡而言之，這些提案和研究確定，一代飛船及其船員必須帶著“地球”，并依靠生物再生系統(tǒng)來補充世代相傳的食物、水和空氣。

如前所述，大多數(shù)關(guān)于星際探索的研究都集中在探測器或船只上，并且傾向于強調(diào)速度而不是確保乘客能夠完成旅程。

正如 Hein 解釋的那樣，這使得 Hyperion 項目成為第一個專注于代工飛船的競賽，并確保星際航行者在到達附近的星系之前保持健康和安全：

“這項比賽是前所未有的——真正的第一次。據(jù)我們所知，這標志著首次啟動專門針對世代飛船的設計競賽。它建立在我們團隊自 2011 年以來進行的早期研究的基礎上，該研究解決了所需的種群規(guī)模等基本問題。

“這項競賽以獨特的方式探索了世代飛船技術(shù)與資源高度受限的社會動態(tài)之間的復雜相互作用。

“大多數(shù)研究都集中在技術(shù)方面，例如推進和生命支持，同時經(jīng)常將船舶技術(shù)和船上社會視為不同的問題?？紤]到分析這些相互依賴關(guān)系的挑戰(zhàn)，這種方法是可以理解的。我們甚至得到了遠離的建議。

“我們的目標是邁出探索和設想這些相互依賴關(guān)系的第一步。我們的目標是成為 Cayley 而不是 Da Vinci。達芬奇設想的是飛機，但 Cayley 構(gòu)思了他們的基本設計原則，這為萊特兄弟鋪平了道路。

競爭

比賽注冊將持續(xù)到 2024 年 12 月 15 日，所有參賽團隊必須支付 20 美元的注冊費。前三名獲獎者將于 2025 年 6 月 2 日公布，第一名獎金為 5000 美元，第二名獎金為 3000 美元，第三名獎金為 2000 美元。

此外，10 個團隊將因創(chuàng)意和創(chuàng)新理念而獲得榮譽獎。有關(guān)更多信息，請查看Project Hyperion 的網(wǎng)站和任務簡介.

根據(jù)他們的使命，Hyperion 項目是使用當前和近期技術(shù)對載人星際飛行進行的初步研究和可行性評估。

目標是讓公眾了解星際太空旅行的未來可能性，并指導未來的研究和技術(shù)發(fā)展。正如他們在自己的網(wǎng)站上所說，比賽有以下主題：

“人類已經(jīng)克服了 21 世紀的巨大可持續(xù)發(fā)展危機，并已過渡到地球和太空可持續(xù)豐富的時代。

“人類現(xiàn)在已經(jīng)達到了在不做出重大犧牲的情況下開發(fā)一代飛船的能力。一艘星際星際飛船飛過附近太陽系中的一顆冰冷行星。

“超越了對星際推進問題的經(jīng)典研究以及持續(xù)多個世紀的航行的結(jié)構(gòu)設計，為了確保旅行成功，理想的棲息地建筑和社會類型是什么？”

參與者的任務是設計這艘船、它的棲息地和它的子系統(tǒng)，包括它的建筑和社會的細節(jié)。項目簡介描述了其他重要的邊界條件，包括任務的持續(xù)時間、目的地和其他重要考慮因素。

從發(fā)射到到達目標星系的任務持續(xù)時間為 250 年，這與具有能夠達到光速一小部分的先進推進裝置的飛船一致。

為了確保船員的健康和安全，飛船的棲息地必須具有與地球相似的大氣條件，防止銀河射線、微隕石和星際塵埃（相對論太空旅行所必需的）。

該船還必須通過旋轉(zhuǎn)部分提供人工重力，但“部分棲息地的重力可以減少”。棲息地還必須在整個旅程中為 1000 多或負 500 人提供住宿和體面的生活條件。棲息地的設計也需要使其可以修改以滿足不斷變化的需求。

社會結(jié)構(gòu)必須考慮到文化差異，包括語言、道德、家庭結(jié)構(gòu)、信仰、審美、家庭結(jié)構(gòu)和其他社會因素。

該競賽還考慮了相對于地球的知識保留和損失，他們將其描述為“幾乎不可避免”。

卡梅隆·史密斯，波特蘭州立大學和亞利桑那大學的人類學家載人太空探索中心（CHaSE） 也是 Hyperion 項目組委會的成員。正如他向《今日宇宙》解釋的那樣：

“一個人口的情況，比如說數(shù)千甚至 1500 人，幾個世紀以來與世隔絕地旅行，這將是人類經(jīng)歷中獨一無二的。

“因此，正如我們規(guī)劃架構(gòu)和硬件的運行狀況，維護它們以在這段時間內(nèi)保持良好狀態(tài)一樣，我們可以規(guī)劃生物和文化的運行狀況和維護。我們有一個很好的指南，那就是進化論。

“進化論是所有生命科學的核心，在許多方面，它也適用于隨著時間的推移的文化變化。生物學在發(fā)展，文化也在發(fā)展。我們已經(jīng)學會了如何管理地球上的文化以適應各種情況。

“然而，我們的想法是讓人們思考如何根據(jù)我所概述的不尋常情況來調(diào)整文化。

“與地球分離，與其他人類群體分離，除了無線電或視頻通信——隨著他們離地球越來越遠——隨著時間的推移，需要文化調(diào)整的變化會是什么？”

在整個旅程中，人們還必須能夠獲得基本產(chǎn)品（衣服、住所等）。棲息地的質(zhì)量應盡可能低，在整個旅程中保持可靠，并包括冗余系統(tǒng)。代發(fā)電飛船的目標目的地是附近星系中的一顆巖石行星（如比鄰星 b).

有趣的是，比賽強調(diào)這個星球?qū)⒂幸粋€由前體探測器創(chuàng)建的人工生態(tài)系統(tǒng)，就像 Project Genesis 一樣。因此，船員不需要任何重要的遺傳或生物適應即可在該生態(tài)系統(tǒng)中生存。正如 Hein 解釋的那樣：

“在錫罐里 250 年，保持快樂，也就是。一個社會能否在資源嚴重受限的環(huán)境中繁榮發(fā)展？回答這個問題對于設計一代飛船至關(guān)重要，也可能為地球上的可持續(xù)未來提供見解。

“從我的角度來看，對于這一挑戰(zhàn)，嚴重缺乏富有想象力的解決方案。在錫罐中 250 年并保持快樂，也就是說，一個社會能否在資源嚴重受限的環(huán)境中繁榮發(fā)展？

"回答這個問題對于設計一代飛船至關(guān)重要，也可能為地球上的可持續(xù)未來提供見解。從我的角度來看，對于這一挑戰(zhàn)，嚴重缺乏富有想象力的解決方案。

“我們還希望提高人們對當今技術(shù)背后的復雜性的認識。哪些技術(shù)可以或應該保留在一代飛船上，哪些可能會丟失？

“研究表明，一個社會的人口規(guī)模會影響其技術(shù)的多樣性和復雜性。大多數(shù)現(xiàn)代技術(shù)都需要復雜的供應鏈，涉及眾多公司、基礎設施和監(jiān)管系統(tǒng)。

“因此，一代飛船可能會依賴低技術(shù)含量的解決方案，除非分子制造或標準模板構(gòu)造（如 Warhammer 40k 中描述的）等顛覆性技術(shù)變得可行?！?/em>

跨學科方法

比賽的一個主要重點是跨學科研究，反映了組委會本身。這已成為太空研究的一種趨勢，這在很大程度上要歸功于商業(yè)航天工業(yè)的興起。

對于當今的許多公司和非營利組織來說，傳統(tǒng)研究正在擴展到航空航天工程之外，并結(jié)合了建筑和室內(nèi)設計、生物學、社會學、心理學、農(nóng)業(yè)和其他學科，以創(chuàng)造允許在太空中實現(xiàn)健康和可持續(xù)生活的概念。

根據(jù)規(guī)則，團隊必須由至少一名建筑設計師、工程師和社會科學家（社會學家、人類學家等）組成。如Yazgi Demirbas Pech，組委會的建筑師和設計師解釋說：

“我們希望這項競賽能夠激發(fā)更大的跨學科合作，強調(diào)建筑和社會科學等領(lǐng)域的價值——在規(guī)劃長期、長距離任務時尤其重要。

“整合這些不同領(lǐng)域的整體方法有助于為太空探索提供更可持續(xù)和以人為本的解決方案。

“與地球上的傳統(tǒng)建筑實踐不同，太空建筑需要在嚴格的技術(shù)限制（例如有限的物理空間、極端的環(huán)境條件和有限的資源）與人類對舒適、安全和心理健康的基本需求之間取得微妙的平衡。

“在這里，建筑成為一種維持生命的元素，使人們能夠在很長的距離和時間尺度上生活、工作和繁榮。

“通過這次比賽，我們邀請團隊挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的設計原則，重新定義明星中的'家'的含義。將建筑師或建筑專業(yè)的學生納入團隊無疑將為這場發(fā)人深省的比賽增添新的視角。

解決空間問題解決地球問題

比賽的另一個重要方面是希望激發(fā)想法，這些想法也將在地球上應用和受益。這是未來太空探索的另一個重要方面，其中包括在月亮,火星等。

就像一代飛船一樣，在遠離地球的地方執(zhí)行的任務不能依賴從地球發(fā)送的定期補給任務。這意味著棲息地必須盡可能自給自足，并確保居民有足夠的空氣、水和食物來舒適地生活。

幾十年來，科學家和規(guī)劃者一直在從地球的自然環(huán)境中尋找靈感。這就是生物圈 2該項目，該項目在 1991 年至 1994 年期間進行了兩次實驗，志愿者生活在一個模擬地球許多環(huán)境的密封生物群落中。

自 2007 年以來，亞利桑那大學一直使用該設施通過其 CHaSE 計劃進行研究，同時保持對公眾開放。

“自 1990 年代以來，[生物圈 2 號] 一直是封閉生態(tài)系統(tǒng)的研究中心，就像在星際飛船上一樣，這里的研究仍在繼續(xù)。[我]實際上一直住在生物圈直到 1 月，我現(xiàn)在正在仰望星空并參與這一切，“史密斯說，他在該設施寫信給《今日宇宙》。

正如他繼續(xù)指出的那樣，這項實驗和類似研究的研究對地球上的生命有重要的應用，主要是因為在太空中沒有出錯的余地：

“進入星際飛船的規(guī)劃和準備工作在培養(yǎng)和對后代的生物保護方面將非常仔細地設計，以便為他們提供最大的保護，也許以比地球上任何文化都更具體地適合他們的生存和健康的方式。

“在星際航行中，事情必須進展得恰到好處，才能在封閉的生態(tài)系統(tǒng)中存活多代，因此規(guī)劃和準備必須非常徹底?！?/em>

由于太空失敗通常意味著死亡，尤其是當人們駐扎在遠離地球的地方時，救援任務需要很長時間才能到達，因此未來探險家和定居者所依賴的技術(shù)必須是可再生的、防故障的，并且隨著時間的推移是可持續(xù)的。

當涉及到我們在地球上面臨的最緊迫的問題時，這種研究和開發(fā)將產(chǎn)生直接的好處：氣候變化、人口過剩、貧困和饑餓，以及可持續(xù)生活的需求。正如 Pech 所強調(diào)的那樣：

“我相信，超越地球的思考可以為我們?nèi)绾胃纳?地球宇宙飛船'上的生活提供寶貴的見解。就像在太空中，我們面臨著眾多挑戰(zhàn)，我們的地球需要創(chuàng)新的方法，在當前的全球沖突和挑戰(zhàn)中促進和諧與復原力。

還有一個額外的好處是，可以激發(fā)人們對宇宙中生命的問題，以及外星文明 （ETC） 可能已經(jīng)在星際之間旅行的地方。幾十年來，科學家們一直在探索這些問題，作為費米悖論.正如 Hein 解釋的那樣：

“最后，正如代達羅斯計劃證明了星際旅行的理論可行性一樣，我們的目標是為人類前往星際旅行建立一個類似的'存在證明'。

“實現(xiàn)這一目標將為費米悖論：如果我們今天能設想載人星際旅行，那么更先進的文明應該已經(jīng)實現(xiàn)了它。那么，他們在哪里？

對比賽感興趣或有更多問題的人，可以聯(lián)系星際研究倡議，網(wǎng)址為[電子郵件保護].i4is 將在 2024 年 12 月 1 日之前開放問答。

本文最初由今日宇宙.閱讀原創(chuàng)文章.