在Youtube上看电影《星际穿越》（Interstellar）。电影临近结尾，主人公库珀（Cooper）被救回到一个巨大的太空定居点“库珀站”（Cooper Station）。这个定居点具备以下特点：1）环形结构：居住区域环绕着一个巨大圆环，借助环体的旋转模拟地球重力；2）自然环境：内部设计为类似地球的自然环境，包括植被、河流、建筑等，给人一种熟悉的生活氛围；3）太阳能供能：环体外部可能通过太阳能板或类似的能源系统为整个生态维持供电；4）人类迁移的避难所：库珀站被设定为人类在地球无法居住后，存续文明的核心平台。
看到这个库珀站，想到了斯坦福环（Stanford Torus）。
斯坦福环是斯坦福大学于1975年提出的未来人类太空定居点设计方案。斯坦福环是一个环形的空间结构，设计目的是为大规模的太空定居提供一个近乎地球化的生活环境，解决微重力、宇宙辐射和资源有限等深空探索的主要问题。斯坦福环通过集中太阳光实现能源供应和光照，同时利用封闭生态系统支持自给自足的生活方式，其设计目标可容纳10,000人至14万人，提供地球化环境，包括空气、水、农业用地和生活空间。斯坦福环空间分区包括1）居住区：包括家庭住宅、公共设施和娱乐区域；2）农业区：通过水培或气雾栽培种植食物，支持粮食生产；3）工业区：处理废物、制造设备和支持定居点基础设施的运转。
环体结构的直径为1.6公里，通过环形旋转模拟1g重力。转速每分钟旋转1转，以确保离心力相当于地球重力而不会造成眩晕或不适。环体外部使用金属、聚乙烯和月壤等屏蔽材料防护宇宙辐射。环内表面设计为“景观化”的地球化区域，包括植被、湖泊和城市。通过环周围的巨型镜面，将阳光反射到居住区域，提供自然光照和农业用光。利用封闭生态系统实现空气、水和废物的循环利用，形成可持续的资源供应模式。同时，结合冷却系统和热辐射设计，避免内部过热。在重力较低的中心轴布置空间港口和交通枢纽，便于与外部航天器对接。内部交通则是通过磁悬浮轨道或电动车辆连接各区域。斯坦福环设计采用模块化设计，可以通过分阶段建造逐步扩大规模。多个斯坦福环可以通过连接形成更大的太空城市。
电影中的库珀站与斯坦福环的比较：
一、相似性
- 环形设计与人工重力：两者都通过环体旋转模拟1g重力环境，这是最有效的微重力解决方案之一。
- 封闭生态系统：内部环境自给自足，包含空气、水、食物的循环再生系统，保障定居者的长期生存。
- 空间高效利用：将居住区、农业区和工业区整合到环形内部，充分利用有限的空间。
- 太阳能供能：两者都高度依赖太阳能作为主要能源来源。
二、差异性
- 规模与复杂性：电影中的库珀站似乎规模更大，容纳的人口更多，且内部生态环境更复杂。
- 技术表现：电影中的设计体现出更先进的技术，例如可能采用了更高效的资源循环和辐射屏蔽方案，这些技术在斯坦福环概念提出时尚未成熟。
- 位置与运行模式：库珀站位于土星附近，而斯坦福环设计时多考虑近地轨道，电影中的设定更贴合星际移民的愿景。
- 建筑材料：库珀站可能利用了更先进的材料或“黑洞穿越”带来的新资源，而斯坦福环强调从月球或近地小行星提取资源。
关于人类太空定居点（Space settlement）设计，问了一下ChatGPT，其给出的答案有一定参考价值：
1. 背景与意义
- 拓展人类生存疆域：地球资源有限，探索和开发太空定居点能够为人类提供更多的生存空间，减少地球资源压力。
- 科技创新的推动：太空定居点的设计要求推动航天工程、生命支持系统、生物技术、能源技术等领域的进步。
- 应对潜在危机：如小行星撞击、气候变化等全球性威胁，太空定居点为人类提供了“备份家园”。
- 经济与文化价值：通过在月球、火星等星体上建立定居点，可开发新的经济模式，同时激发全球对太空探索的兴趣。
2. 设计要素
（1）选址
- 月球：靠近地球，易于物资补给；但昼夜温差大，环境辐射强。
- 火星：有大气层和水冰资源，适合长期定居，但距离地球较远。
- 近地小行星：资源丰富，但重力环境较差。
- 太空轨道站：如地月Lagrange点，利于能源获取和通信。
（2）结构与建筑材料
- 模块化设计：便于运输和组装，如国际空间站（ISS）的模块化方案。
- 本地资源利用（In-Situ Resource Utilization, ISRU）：如月壤制砖、火星土壤提取氧气。
- 3D打印技术：利用行星表面资源打印建筑，减少地球运输负担。
- 辐射屏蔽：采用金属材料、月壤覆盖或液态水屏障以减轻宇宙辐射影响。
（3）生命支持系统
- 封闭生态循环：开发可循环的空气、水和食物生产系统，如NASA的生物再生生命支持系统（BLSS）。
- 植物栽培：在无土环境下种植植物提供氧气和食物，同时缓解心理压力。
- 废物处理：高效回收和处理定居点内产生的废物以实现资源最大化利用。
（4）能源与通信
- 能源供应：太阳能是主要能源形式，但需解决夜间供能问题（储能技术或小型核电站）。
- 通信网络：建设高效的星际通信系统，减少信号延迟，如利用中继卫星或激光通信技术。
（5）社会与文化设计
- 心理健康：设计舒适的居住环境和社交空间以缓解孤独和心理压力。
- 法律与伦理：建立治理体系，包括资源分配、社会行为规范和太空法体系。
- 教育与文化活动：维持定居者的长期发展能力，促进文化传承与创新。
3. 技术挑战
（1）重力适应性
- 长期处于微重力或低重力环境（如月球1/6重力或火星1/3重力），可能导致肌肉萎缩、骨质流失等健康问题。
- 设计人工重力系统，如离心力旋转结构来模拟重力环境。
（2）辐射防护
- 深空辐射包括太阳风、高能粒子辐射等，对人体和电子设备具有严重威胁。
- 采用多层辐射屏蔽材料，并结合地下居住设计减少暴露。
（3）资源获取与再利用
- 如何有效利用本地资源（如火星水冰、月壤矿物）以维持定居点的自给自足。
- 需要发展高效的资源开采与转换技术。
（4）长期维持
- 生命支持系统必须高度可靠，故障维修难度大。
- 开发自我修复和自动维护技术，如机器人维修或冗余设计。
（5）成本与物流
- 当前技术下，单次发射成本极高（如SpaceX的Starship虽然大幅降低成本，但仍需进一步优化）。
- 如何降低材料、设备和人员运输费用是关键。
4. 实现路径
（1）阶段性发展
- 短期目标：无人探测与机器人辅助（如月球南极水冰采样）。
- 中期目标：建设小型实验基地（如阿尔忒弥斯计划月球基地）。
- 长期目标：大型永久性定居点（如火星城市计划）。
（2）国际与商业合作
- 国际合作：如NASA与ESA的联合项目。
- 商业化探索：如SpaceX、Blue Origin和Axiom Space参与建设。
（3）技术试验
- 地球模拟实验：如BIOS-3、火星500计划验证生命支持系统和长期居住的可行性。
- 空间实验：如ISS为验证微重力环境下的技术奠定了基础。
5. 未来展望
- 月球定居点的蓝图：以月球为跳板建立可持续的深空探索基地。
- 火星城市的愿景：实现10万人规模的火星城市，如埃隆·马斯克的“百万火星移民”计划。
- 星际殖民的可能性：未来技术发展将使人类走向更遥远的星系，如开发核聚变推进技术，实现更高效的星际旅行。
- 人类文明扩展：太空定居点的建设不仅是技术突破，也是人类文明向宇宙延伸的重要标志。