火星和月球，哪个更适合成为人类第一个外星永久殖民地？
拉格朗日L4、L5点比月球、火星都适合。 月球坑爹在一天等于地球上一个月，这给人生活作息和利用太阳能都带来不便。火星相对远，沙尘暴也阻碍太阳能的利用，还会影响设备寿命。那稀薄的大气层很坑人，一方面导致降落需要热防护系统，一方面又因为稀薄低导致降落伞等气动减速效果差，增加了风险。此外火星上可能存在或者可能曾经存在生命也是严重的潜在生化污染风险，NASA计划用4级生化安全等级（和埃博拉病毒同等待遇）设施处理以后从火星获取的样本。 太空殖民先驱——普林斯顿大学物理教师吉拉德·奥尼尔提出用月球、小行星提供材料，在地-月拉格朗日L4、L5点建太空殖民地最合理。 拉格朗日L4、L5点是太阳-地球引力平衡的位置，非常稳定，无需任何推进剂就能永久保持位置。同时有永远不间断阳光照射，可以充分利用太阳能。因此非常适合发展太空殖民、太空工业，然而有点远。 幸运的是地球-月球之间同样存在拉格朗日点，地球-月球拉格朗日L4、L5点也很稳定，而且从地球去地-月拉格朗日点所需能量和去月球轨道差不多，远低于去月球表面。地-月拉格朗日点和日-地拉格朗日点的劣势在每个月光照可能有极短时间被地球遮挡。 地-月拉格朗日点见下图，太空殖民是地-月拉格朗日点，不是日-地拉格朗日点，之前我打错了。 从近地小行星和月球获取材料在L5、L4点建巨型空间站作为太空城市、太空工厂在短期内无疑是最佳选择。这样的空间站每个可容纳的人口至少上万，甚至可以有几十万、上百万。太空殖民空间站能轻松提供提供巨大的宜居环境，内部连续打空间可能会比月球、火星上的城市宽敞（微重力下施工方便），通过缓慢的旋转模拟人工重力。从技术上而言不存在什么问题。现在空间站建的那么小是因为受限于运载火箭整流罩容积和发射成本。然而当用上了月球、近地小行星的资源就不存在那些限制了。 奥尼尔教授认为L5点太空殖民社区巨大而舒适的居住面积、丰富的资源、无限的能源（太阳能）将会有效解决地球上领土争端、资源纠纷、人口爆炸等问题。我觉得把高污染工业搬上太空也能有效保护地球环境，微重力、高真空、无限能源等对工业的价值更不用多说。 主流太空殖民空间站构型主要分三种：斯坦福圆环、奥尼尔圆筒、伯纳尔球体，我个人认为“斯坦福圆环”构型最适合初期万余人左右、中小规模殖民。而伯纳尔球体则更大一些，适合数万乃至更多人生活。至于奥尼尔圆筒更适合几十万乃至更多人居住，这些空间站的质量可达几百万甚至上千万吨。下面贴一些图。 斯坦福圆环构型 -------------------- 伯纳尔球体构型 ------------------------------- 奥尼尔圆筒构型 ------------------------------------ 有人可能觉得太宏伟难以实现，请想想现在人类在有重力阻碍的地球上就有各种令人惊奇的巨型工程，何况在引力抵消平衡的L4、L5点？碳纤维、碳纳米管等新材料的发展成熟会让实现起来更容易，至于透明部分就用坚硬的三氧化二铝（蓝宝石）。辐射屏蔽则是月球、小行星土壤，这些物质同时还能作为流星撞击的防护层。在空间站足够大的情况下，其大气本身就能起到一定辐射屏蔽作用，日夜循环则是反射镜的开闭实现。食物、氧气、水等自给自足，产业则是太空工业，包括制造业（高真空、微重力优势以及建造组装大型飞船）、建筑业（建造其他空间站包括给地球输电的巨型太阳能发电卫星、服务业（飞船休整、旅游等）。 在上世纪70年代奥尼尔教授曾认为20世纪末、21世纪初就能初步实现建太空殖民空间站，然而因为航天飞机经济上的失败导致这梦想不得不暂时搁置。可以想见，当完全可重复使用发射系统实现廉价的天地运输，太空殖民空间站无疑会再次变得诱人，不再是空想。至于谁投资，我觉得这性质类似于国家建新城市、特区，本身也属于人造国土。而月球的地位是工业、矿业中心，不会有大规模殖民。 有人觉得材料运输贵会增加成本，实际上奥尼尔教授提出在月球上用质量加速器（可以说是大口径电磁线圈炮）把月球开采的矿物发射到拉格朗日点，由机器人用特殊装置捕获。同时质量加速器也能作为近地小行星拖船的引擎，通过发射小行星上的土壤、岩石等物质产生反作用力从而实现变轨，推到L4、L5点用于建设。人工方面，大量使用机器人干也不贵。 更妙的是目前已经发现地球也有准特洛伊小行星—— 2010 SO16 、 2010 TK7 就在日-地L4、L5点附近，以后如果从地-月拉格朗日点扩张到日-地拉格朗日点的话可以就地取材了。我相信这样的小行星以后会发现更多的。 有人问在拉格朗日点能放一个还是更多空间站？对于这个问题请搜索特洛伊小行星就知道了，特别是木星特洛伊、海王星特洛伊小行星群，都在其和太阳的拉格朗日L3、L4、L5点上。最大的木星特洛伊小行星直径超过200千米，比星球大战的死星还大，海王星特洛伊小行星里也有个头超过200千米的。特洛伊小行星数量非常多，据估计直径超过1千米的木星特洛伊小行星达100万颗。海王星特洛伊小行星的数量可能也毫不逊色。所以不用担心空间站挤满，至少几万个城市级大型空间站肯定没问题。至于空间站之间乃至其他原因可能导致的极其微弱扰动，可以用太阳帆修正，无需任何推进剂。 此外简单的想一想，如果L3、L4、L5点的物体容易受扰动而互相碰撞，那木星特洛伊、海王星特洛伊小行星群早就撞的合并成行星了，而不是依旧是无数小行星。下图是木星特洛伊小行星示意图，注意也根据位置分成三群，分别对应L3、L4、L5点。 NASA计划于2021年发射的露西号飞船就是前往那里的（下图）。奥尼尔的殖民空间站可以看作人造地球特洛伊小行星。 有人说生产光伏电池的污染和成本问题，其实在外太空还能用更廉价容易制造的光热发电。用镀铝的聚合物薄膜制成巨大的反射镜，聚焦阳光去烧水或者液氨成蒸汽推动涡轮机发电也可以加热斯特林发动机的热端发电。这相对容易制造，3D打印加数控机床就行。在地球上大型太阳能发电站基本也是光热而不是光伏发电，国际空间站前身自由号空间站就考虑过光热发电，当然那是基于斯特林循环而不是烧蒸汽（兰金循环），虽然效率不如烧蒸汽驱动涡轮机但是能更小巧，见下图。 下面是我简单翻译的NASA的太空太阳能热蒸汽发电系统示意图 下面是地球上的聚光太阳热发电，用反射镜聚焦然后烧水驱动蒸汽涡轮机发电而不是光伏电池。 有人觉得这光热发电很庞大笨重，那请看下图，NASA研究的用在空间站上的兰金循环聚光太阳能热发电系统，桁架粗细和国际空间站差不多，感受一下究竟大不大。 关于水源的问题，目前已发现月球两极陨石坑里有数以亿吨的冰，这是最佳的来源。从主带小行星搬运也不是不可能，由于太空中只有辐射传热，用多层高反射率隔热薄膜裹住富含冰的小行星拖过来就行。 关于小行星采矿，NASA有个小行星重定向任务（ Asteroid Redirect Mission ），某种程度上也能算小行星采矿的试验，捕获近地小行星上的巨石运到月球附近。可惜今年年初预算被砍，不过技术上真的没任何问题。 有人一再问为啥不建月球？因为从近地轨道去L4、L5需要4100米/秒的速度增量，而从近地轨道去月球表面则要6300米/秒速度增量，整整多了2200米/秒，这意味着需要消耗更多推进剂。此外从月球表面起降也需要起落架、相对强的引擎，意味着高效率低推力的离子推进器无法直接抵达月球表面，但能抵达L4、L5点。并且无论从地球还是月球去L4、L5点都比较经济。可以说有利于从地球运设备运人，也有利于利用月球开采的矿物。而且不受日夜变化，每月只有极短的时间被地球阴影遮挡（相当于月食）平时都能使用充沛的太阳能。在月球的话一个月里有一半时间连续见不到太阳，也就是月夜。舒服吗？此外居民区一定要建在采石场、水泥厂等建材生产设施旁？月球相当于工业区特别是矿区，L4、L5相当于定居点。 和需要同等速度增量抵达的绕月轨道相比，由于是引力平衡抵消点所以L4、L5非常稳定，无需维持，而在月球轨道则受引力扰动和月球极其稀薄的大气影响就不稳定，需要推进器点火修正、维持否则早晚坠毁在月球上。 建设并且维护天基巨型太阳能发电系统也是L4、L5城市群的重要业务。天基太阳能发电站是一种轻巧的超巨型结构卫星，长宽数以千米计。每个巨型太阳能发电卫星输出功率至少5000兆瓦，超过著名的胡佛大坝（ 1345兆瓦 ）太阳能发电卫星的电力通过微波或者激光来无线传输到地面，理论上效率能超过60%。波束和地面接受系统经过优化不影响环境保护，人站输电波束中心都没事。 这能很好的解决地球上的能源问题，也让偏远地区包括海岛能从天上接电，无需自备发电机或者拉长长的电网。当然这些太空太阳能发电卫星用月球上材料建造。下图就是月球上用来发射矿物到太空的质量加速器（巨型电磁炮）。 最后总结强调一下拉格朗日L4、L5点殖民的优势 1交通方便最省力，需要的速度增量和地球前往月球轨道差不多，比从地球去月球表面着陆低的多，更不要说跟去火星比了。这能大大降低运输成本，更好的是从月球去L4、L5点也非常方便，有利于月球矿产的运输，可以说从L4、L5去月球、去地球都容易，如同交通枢纽一样。具体关系见下图，当然L5是指地-月拉格朗日L5点 2.有几乎不间断的日光照射，不受日夜和恶劣天气（例如火星上肆虐的超级沙尘暴）影响，提供了充沛而免费的能源（太阳能发电），有助于生活和生产，当然这是远一些的日-地拉格朗日点，而地-月拉格朗日点还是会有极短时间被地球阴影遮挡的影响（相当于月食，时间自己感受），但比月球、地球的日夜变化好很多很多了，请问谁喜欢每个月连续15天白昼再连续15天黑夜？空间站居住区的夜晚用反射镜的开合实现。 3.不用担心各种例如地震、滑坡等破坏巨大的地质灾害影响，月球就有力道不小的月震。 4.微重力环境下便于建设施工，微重力和高真空本身也对制造业例如、蛋白质晶体、半导体芯片、冶金等非常有价值，可以轻松生产地面乃至月球无法生产的独特高质量产品。这方面不难查，月球火星表面不是失重。 5.无需担心潜在地外生物感染危害，火星上因为可能存在或者可能曾经存在生物，而存在微生物感染危害人生命健康的风险（想想埃博拉恐怖不恐怖）。 6.在合适的半径和转速的情况下，巨型殖民空间站居住区的模拟人工重力和地球相同，都为1G，而不是火星和月球的低重力，有助于健康避免骨质疏松等问题。自旋产生的模拟人工重力无需燃料维持，惯性永远转动，因为没有阻力。 7.可以任意扩大面积，用小行星和月球的矿产建空间站不占用任何星球的土地，太空的空间很大，能放数不清的空间站。 8工业无需担心环保问题，哪怕是最危险的核废料在高真空、荒无人烟、浩瀚的太空中也危害不了生物圈，真空无法燃烧，泄漏的污染物也会被太阳风吹出太阳系。 9.大规模太空工业有助于以后进一步开发宇宙，特别是殖民空间站积累的经验可用于恒星际飞行的世代船上。使得人类离开太阳系定居其他恒星的行星。 10.通讯方便，无需中继卫星，始终能对着地球，也不存在明显的难以忍受的通讯延迟（火星距离远就有严重的通讯延迟）