亲爱的邪恶工程师:我能在太空中建造多大的建筑?

亲爱的邪恶工程师:

我一直无法忘记气候变化。看到我们的领导人完全未能像科学家警告的那样迫切地实现脱碳，我更加确信，在我有生之年，地球生态系统将面临崩溃，数十亿人将死亡。这让我思考——这是一个千载难逢的商业机会!

我的那些高净值的坏蛋们正在建造私人掩体，并大谈把火星改造成备用星球的必要性，但我有一个替代方案。我想在太空中建造一个可居住的巨型建筑，人们——也就是说，那些愿意支付非常合理的安置费的人——可以无限期地住在里面，而地球却屈从于气候变化。你能告诉我我大概能建造多大的建筑物吗?我将被限制在国际空间站的大小，还是我可以更大:像月球一样大?地球吗?

你的,

投机取巧的恶棍

亲爱的坏蛋,

当谈到气候变化时，我总是很高兴听到一位记者能跳出框框思考问题。这是制定宏伟计划的最佳时机。

人类可以在大量的空间结构中度过很长一段时间，这对一个拥有充足手段的人来说并不是不可能的。例如，当我读到贝佐斯或马斯克正在计划建造一个私人空间站，用作豪华酒店时，我不会感到震惊。

在许多方面，在太空中建造比在地球表面建造更大的机会。无限空间的优势显而易见，但在微重力或零重力条件下也有优势。这意味着许多限制地球上结构大小和形状的常见结构工程问题可以被忽略。在轨道上建造也可以消除对单一复杂、昂贵和有风险的发射的需求——天宫空间站等结构正越来越多地在轨道上组装。

展望未来，人们对不仅仅是在太空中组装结构也有真正的兴趣，而且实际上也在太空中建造它们。例如，总部位于佛罗里达州的初创公司Made in Space已经在国际空间站上操作了一台3D打印机，并计划将一台3D打印机送入轨道，它几乎可以制造任何东西，甚至是100米长的太空望远镜。前首席执行官安德鲁·拉什在2018年评论道:“我们可以制造出一种结构，如果它在地球上，它就无法支撑自己的质量。你唯一的实际限制是你向系统提供了多少材料。”

增材制造看起来是一个很好的可扩展的建筑选择。但是，如果你的目标是建造一个可以永久支持社区的结构，你将考虑到公里的规模，而不是米。这可行吗?

这个问题实际上已经得到了很多关注。最符合您的规格的概念可能是“伯纳尔球”。1929年，爱尔兰物理学家约翰·德斯蒙德·伯纳尔(John Desmond Bernal)首次提出，这是一个直径约16公里的空心球体，充满空气，可容纳2万至3万人的人类殖民地。球体是一种理想的形状，既稳定又能提供尽可能大的内部体积与表面积之比。伯纳尔建议，它主要可以用从小行星、土星环和其他随手可得的行星碎片中开采的材料建造。“由于没有万有引力，它的建造不会是任何规模的工程壮举，”他写道。这可能被认为是一种夸张，但也许我们可以从中得出这样的结论:在理论上，它的建设没有无懈可击的技术障碍。

你问我能建多大的建筑。我们能超越伯纳尔提出的16公里空心球吗?是的。有点违反直觉的是，从理论上讲，空心球体在被自身重量压塌之前可以达到多大是没有限制的。

想象一个半径为r，厚度<< r的壳。如果你增加它的尺寸dr，它的体积和质量就会增加dr2。同时，根据牛顿万有引力定律，壳体上任意一点的万有引力与dr2成正比减小。换句话说，当一个球体变大时，它就会变重，但它的表面也会离质心更远。因此，引力没有净变化;它不随r变化。如果空心球在小半径内因自身重量而不坍缩，那么在任何半径内都不会。

虽然这看起来很奇怪，但在理论上，你可以在太空中建造多大的空心球体是没有限制的。因此，限制是由建筑的实用性决定的。例如，如果你计划从小行星带获取建筑材料，你可能会发现自己受到以下阻碍:可用的数量(据估计，小行星带中约有2.3x1021kg的材料，约为月球质量的3%)，跨越天文距离运输这些材料的困难，以及如何处理这些材料进行3D打印。

你的,

邪恶的工程师

PS:建造一些更小的空心球体，达到伯纳尔球体或更小的规模，将大大降低风险。例如，如果一颗迷路的小行星撞上了一个建筑，你只会失去许多个中的一个，而不是冒着你的巨型建筑被突然减压撕裂的风险。

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