在過去幾個世紀，隨著技術的不斷進步，為了滿足我們的工業需求和全球商業化，地球上的資源正在被迅速的消耗殆盡，很多人認為再這樣下去地球將步入毀滅的境地。一些未來學家認為，介於人類向外擴張自己領土的本性，當地球上的資源無法支持人類的生產生活需要時，我們無可避免的要走上探索以及向太空殖民的道路。
人口過剩是目前人類面臨的一個迫在眉睫的挑戰，這使得星際旅行和太空殖民的需要變得更加迫切。話雖如此，然而建造一個太空棲息地並不是一件簡單的事，例如如何在太空中建造設施，如何在太空中創造宜居社區，完成垃圾的回收和處理，以及如何建造人工重力場，最重要的是如何讓各國政府和國際組織相信這個項目是值得投資實施的。
太空殖民的實施可以為從其他行星上獲取資源奠定基礎。在地球上，太陽能的利用效率並不是那麼高，同時面臨著不可避免的難題，比如不利的天氣情況以及夜晚的出現。
然而，在太空中，太陽可以不間斷地釋放能量並被利用。利用這豐富的能量，我們就無需擔心動力問題在整個太陽系旅行。此外，太陽系也會我們提供大量的化學資源。美國宇航局已經啟動了一項從月球資源中產生燃料、水和氧氣的項目。
鑑於此，下面我們要介紹以下奧尼爾圓筒。它是由著名物理學家傑拉德·奧尼爾在幾十年前提出的。
圖解：奧尼爾圓筒的插圖（圖片來源：Flickr）
除了是物理學家，奧尼爾還是普林斯頓大學的教授和太空愛好者。儘管他在物理學方面提出了新的概念來探索高能粒子物理學而廣為人知，但他在太空殖民方面的工作才是他最珍貴的遺產。
圖解：傑瑞德·K·歐尼爾（1977年）（圖片來源：Wolfkeeper / Wikimedia Commons）
奧尼爾圓筒思想的起源
奧尼爾在普林斯頓大學為他的學生教授物理時，給學生們布置了設計太空巨型結構的任務，以證明在太空中生活和生存是完全有可能。
他的學生們想出了無數的設計來適應人類在太空中的居住。經過長時間的頭腦風暴，奧尼爾把他們的理論歸結為圓柱形太空集合體的概念。 之後更多的細節和這個設計的功能在1974年發表在《今日物理學》雜誌上；這個圓柱體被稱為奧尼爾圓筒。
奧尼爾圓筒的設計
奧尼爾圓筒由兩個圓柱體組成，在軸承上向相反方向旋轉，以減輕陀螺效應。每個圓柱體的長度為30千米，直徑為7.5千米。在圓筒外面安排3塊鋁製鏡面，跟著圓筒一起旋轉。沿軸向，在圓柱面上開了3扇大窗，鏡面反射的陽光透過窗玻璃射入殖民地。每一扇窗恰好正對著殖民地內的一塊生活區，也就是說整個圓筒包含3塊生活區，中間隔著3塊透明的大牆。這6塊面積都是一樣的。奧尼爾設想在幾乎零重力的環境中，將工業加工和娛樂設施設置於中軸線上。
圖解：奧尼爾圓筒的內部視圖，帶有交替的居住區和窗條（圖片來源：Rick Guidice / Wikimedia Commons）
重力模擬
生活在地球上和生活在太空(或任何其他天體上)之間的一個關鍵區別是重力的差異。為了穩定我們需要構建人工重力場。當兩個巨大的圓柱體在其軸上旋轉時，它們會利用內表面所有物體的向心力來創造人造重力。根據圓柱體的尺寸，加速度方程：a=v^/r，計算出的值來代替地球的加速度值(即9.81)，我們可以推斷出圓柱大約需要每小時旋轉28圈來模擬一個合適的引力。
地球環境模擬
維持一個與地球相似的大氣層，是建造太空聚居地的下一個挑戰。奧尼爾圓筒的設計謹慎，其氣體比例與地球相似。然而它的壓力是地球上海平面壓力的一半。這不會對我們的呼吸造成很大的影響，但這種小小的變化會帶來很多好處，比如減少對天然氣的需求以及我們的牆壁在建造時不需像地球上那麼厚。通過改變鏡子的排列以及改變氣體比例，可以控制殖民地內接受到的太陽能量的大小，以便調節平均溫度和模擬季節變化。
晝夜模擬
由於人類的棲息地位於真空(太空)，圓柱體實質上變成了一個巨大的熱水瓶！奧尼爾圓筒試圖克服這一問題，使用了一系列的鏡子鉸鏈在三個窗口。這樣，就可以將陽光直接照射到圓柱體中來模擬白天的時間。同樣地，通過把鏡子推開，可以創造出一種夜晚般的氛圍.這個模擬的「夜晚」也將允許生物產生的熱量從圓柱體中輻射出來。
儘管奧尼爾圓筒的設計在技術上是健全的，但這個想法太複雜了，無法用我們目前的技術來實現。到目前為止，它的實施僅限於科幻領域。然而，考慮到像SpaceX和火星一號這樣的組織的努力，也許有一天奧尼爾圓筒會幫助人類在浩瀚的太空中定居下來！
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. scienceabc
National Space Society
Space Studies Institute
NASA
Harvard University
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