如果人類真的能像科幻電影和小說中一樣，能在長(zhǎng)久地在太空中航行，想想是不是有點(diǎn)小激動(dòng)呢？

我的三體之星艦地球（來源：bilibili-我的三體）

說到這個(gè)我可就不困了。

前不久我國(guó)發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙艙攜帶的水稻種子和擬南芥種子成功發(fā)芽，目前長(zhǎng)勢(shì)良好。長(zhǎng)成的太空水稻還有一個(gè)好聽的名字叫"小薇"。

長(zhǎng)勢(shì)良好的太空水稻和擬南芥幼苗（來源：bilibili-我們的太空）

除此之外，問天實(shí)驗(yàn)艙還搭載了一個(gè)生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜，在其中放置了藻類，水槽和斑馬魚形成了一個(gè)微小的生態(tài)系統(tǒng)。通過觀察微型生態(tài)系統(tǒng)的生命參數(shù)可以為將來在太空中建立大型生態(tài)系統(tǒng)打好基礎(chǔ) [1]。

所以，在太空中生活需要注意些什么呢？

1

Part I：微重力的環(huán)境

首先，我們?cè)谔罩惺歉惺懿坏街亓Φ模蠹铱梢噪S便飛！

這是因?yàn)椋?dāng)我們?cè)谟钪骘w船、空間站或者月球上時(shí)，由于它們都繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)有一個(gè)向心加速度，可以作為一個(gè)非慣性參考系。我們?cè)谄渲袝?huì)受到慣性力，這個(gè)慣性力也可以被稱為慣性離心力，力的大小與地球的萬有引力相同，方向與萬有引力相反，所以就感受不到地球的重力了。

（Tips：非慣性參考系就是具有加速度的參考系，在分析非慣性參考系中物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)要加上一個(gè)慣性力，慣性力的大小為物體的質(zhì)量乘以該參考系的加速度，方向與該參考系的加速度方向相反。）

在電影星際穿越中，主角團(tuán)們?cè)谶M(jìn)入空間站后通過使空間站自轉(zhuǎn)而模擬出了重力，這個(gè)重力實(shí)際上是由于空間站自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的另一個(gè)慣性離心力。

星際穿越中旋轉(zhuǎn)的空間站（來源：電影星際穿越）

假設(shè)空間站的尺寸為100m，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算可以知道，要實(shí)現(xiàn)與在地球上相同的重力，空間站的轉(zhuǎn)速相當(dāng)于地球自轉(zhuǎn)速度的6000倍。

同樣的，要改變重力，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以提供不同轉(zhuǎn)速的裝置就可以了。在問天實(shí)驗(yàn)艙中就設(shè)計(jì)了一個(gè)900mm大小的離心機(jī)，通過控制轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)重力的精細(xì)調(diào)節(jié)。

看到這里大家不禁想問，在地球上有沒有實(shí)現(xiàn)失重的辦法呢？

眾所周知，自由落體是一個(gè)失重過程。根據(jù)這個(gè)原理，人們發(fā)展了一種微重力實(shí)驗(yàn)室：失重飛機(jī)。

一個(gè)架次的失重飛行由若干個(gè)失重拋物線組成，每個(gè)失重拋物線包括4個(gè)階段：急躍升階段、失重階段、下降階段和平飛階段[2]。每次飛行可以實(shí)現(xiàn)15~20次失重次數(shù)，每次失重可以持續(xù)25~28秒。失重水平可以達(dá)到0.01g。

失重飛機(jī)一次拋物飛行曲線示意圖（來源：參考文獻(xiàn)[3]）

除此之外，還可以將高空氣球在預(yù)定高度釋放落艙實(shí)現(xiàn)失重。這也是一個(gè)自由落體過程，失重時(shí)間在30~60s，失重水平可以達(dá)到10-4g [4]。這些微重力實(shí)驗(yàn)室由于失重時(shí)間短所以只能完成一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，可以為之后進(jìn)入太空中打好基礎(chǔ)。

依靠自由落體可以模擬出一個(gè)真實(shí)的失重環(huán)境。

除此之外，可以再想一下：如果給人施加一個(gè)向上的大小等于mg的力以抵消重力，不就也達(dá)到了失重的效果了嗎？

所以人們又發(fā)展了中性浮力水槽的失重實(shí)驗(yàn)，人體通過在水中增加或減少漂浮器的方法，使人體受到的浮力和重力相等從而實(shí)現(xiàn)等效失重 [5]。

航天員進(jìn)行水下訓(xùn)練（來源：央視新聞）

但是注意在這種情況下，只是人體整體實(shí)現(xiàn)了失重的效果，人的組織、器官等還受到重力作用。通過這個(gè)方法可以模擬太空行走，失重工程控制等訓(xùn)練。

2

Part II：如何阻擋強(qiáng)輻射環(huán)境？

宇宙中的強(qiáng)輻射一般是高能量的粒子。一方面是始終存在的來自宇宙深處的高能質(zhì)子，離子，或者介子等帶電粒子；另一方面是偶然發(fā)生的太陽質(zhì)子事件。宇宙射線中最高能量的粒子的能量甚至能達(dá)到地球上加速器所能提供最大能量的幾千萬倍 [6]。

高能粒子照射到物體表面，會(huì)與物體表面的上的原子、分子發(fā)生相互作用。對(duì)于人體來說，強(qiáng)輻射會(huì)使皮膚受到損傷，誘導(dǎo)細(xì)胞癌變。

物質(zhì)中的原子一般通過共價(jià)鍵，離子鍵，金屬鍵，或者通過分子間的范德瓦爾斯力結(jié)合在一起。

這些結(jié)合方式本質(zhì)上是通過原子的外層電子實(shí)現(xiàn)的。

所以，如果原子中的外層電子從高能粒子中獲得能量，就會(huì)脫離出原子，進(jìn)而破壞了這些化學(xué)鍵，導(dǎo)致原子之間無法穩(wěn)定結(jié)合，從而損傷物體。

除此之外，高能粒子可能會(huì)與原子中的內(nèi)層電子相互作用產(chǎn)生大量有害射線。

首先是電子獲得很高的能量直接從固體中脫出，其次是當(dāng)內(nèi)層處于低能級(jí)的電子從固體中脫出后，外層處于高能級(jí)的電子躍遷到低能級(jí)從而輻射光子，輻射出的光子也被稱為x射線，然后輻射出的x射線進(jìn)一步激發(fā)內(nèi)層電子從而輻射二次電子。

高能射線與原子中的電子相互作用

更高能量的粒子甚至可以和原子核相互作用，打破核力的束縛，從而輻射出質(zhì)子、中子。

那么如何阻擋這些高能粒子呢？

一個(gè)直接的想法是采用厚厚的材料作為屏障。但是這個(gè)方法需要極多的材料，即使屏蔽一個(gè)宇宙飛船大小的空間，所需要的防輻射材料就需要以噸為單位[6]。同時(shí)高能粒子與材料相互作用再產(chǎn)生的電子、中子、x射線等次級(jí)輻射，也會(huì)產(chǎn)生新問題。

另一個(gè)考慮是：既然這些高能輻射都是帶電粒子，那么利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)是不是就可以約束粒子或者改變這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡呢？

地磁場(chǎng)的作用就是這樣保護(hù)了地球上的生命不受宇宙高能射線的損傷。

帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用，從而改變運(yùn)動(dòng)軌跡。電場(chǎng)也會(huì)給帶電粒子施加電場(chǎng)力，從而改變粒子速度的大小和方向。

通過合理設(shè)計(jì)外部空間的電磁場(chǎng)分布，可以使來自宇宙的高能射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)或減速，從而保護(hù)我們的空間站。

值得一提的是，帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如下圖，是常見的高考題目了。

電子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用

所以小盆友，我這里有一套五三秘籍，帶領(lǐng)人類飛向宇宙的重任就交給你了！

我們可以在航天器表面通上電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，模擬出地磁場(chǎng)的分布。

或者利用低強(qiáng)度的磁場(chǎng)使周圍空間中的熱電子聚集在航天器周圍，形成電子云，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，進(jìn)而阻擋帶電粒子。

也可以在航天器主艙體上連接四個(gè)金屬球，分別帶負(fù)電，從而形成一個(gè)非對(duì)稱的靜電場(chǎng)分布，直接偏移周圍帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。[6]

空間站主體艙加四金屬球防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖（來源：餐參考文獻(xiàn)6）

當(dāng)然實(shí)際操作中防輻射的防護(hù)材料和電磁場(chǎng)的方法肯定是需要搭配使用的。

3

Part III：生活必需品：氧氣和水

要想在太空中長(zhǎng)期生存，從地面上自帶氧氣和水畢竟是有限的，那么有哪些方便快捷的生產(chǎn)氧氣和水的方法呢？

電解水就是一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。通過構(gòu)造一個(gè)電解池，陽極處水分子被氧化失去電子生成氧氣和氫離子，氧氣隨著水流排出，氫離子與固體聚合物膜內(nèi)水分子結(jié)合后在電場(chǎng)的作用下遷移到陰極，陰極處氫離子得到外電路的電子被還原成氫氣。

固體聚合物電解水電解池原理圖（圖片參考自文獻(xiàn)[8]）

通過電解水除了得到了我們想要的氧氣之外，產(chǎn)生的氫氣也會(huì)有大用處。

人吸收氧氣呼出二氧化碳，注意到二氧化碳中也存在氧原子，所以可以利用二氧化碳與氫氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水。

但是由于氫氣和二氧化碳的性質(zhì)都比較穩(wěn)定，所以需要采用催化劑（金屬鐵、鈷、鎳、釕）在高溫高壓的環(huán)境下使其反應(yīng)。由于二氧化碳和氫氣混合的比例不同會(huì)額外產(chǎn)生一氧化碳、碳單質(zhì)、甲烷、甲醇等物質(zhì)，所以在實(shí)際操作中需要仔細(xì)控制二者參與反應(yīng)的比例防止產(chǎn)生不利物質(zhì)。

除此之外，利用過氧化鈉和二氧化碳之間的反應(yīng)也可以生成氧氣。

利用二氧化碳制備水和氧氣的反應(yīng)方程式

除了化學(xué)反應(yīng)之外，我們還可以回收日常用水和尿液。通過蒸餾-冷卻的方式將純凈水再次制備出來。

水在太空中會(huì)表現(xiàn)出與在地面上不同的樣子，在沒有重力的情況下，水的內(nèi)部也不存在壓強(qiáng)了。但是由于水分子相互間的吸引力，水依然有表面張力。

一團(tuán)水在太空中最自然的存在方式是形成一個(gè)球形。這是因?yàn)?strong>在相同體積的情況下，球形物體的表面積最小，而液體的表面能等于表面張力乘以表面積，所以在太空中保持球形可以使水的表面能量最低，也就是最穩(wěn)定的狀態(tài)。

在之前太空授課中有一個(gè)水穩(wěn)定地存在于杯子中的現(xiàn)象，和在地球上的杯中水一模一樣，廣大網(wǎng)友還對(duì)此展開了一番討論，這是怎么回事呢？

太空授課中與地面無異的杯中水

這是由于水與玻璃杯表面發(fā)生浸潤(rùn)。

在固體與液體接觸的表面會(huì)有一層附著層。液體分子對(duì)附著層中分子的吸引力為內(nèi)聚力，方向指向液體內(nèi)部；固體分子對(duì)附著層中分子的吸引力為附著力，方向指向固體內(nèi)部。

若附著力大于內(nèi)聚力，則附著層分子所受的合力指向固體內(nèi)部，所以液體分子都會(huì)向附著層移動(dòng)，但是這樣又增大了液體與固體的接觸面積從而增大表面能量，所以最終會(huì)形成如下圖所示的浸潤(rùn)平衡的現(xiàn)象。[9]

液體浸潤(rùn)現(xiàn)象（來源：秦允豪《熱學(xué)》）

Ps：這杯水是宇航員姐姐一滴一滴地?cái)D到杯子里的（是一個(gè)很辛苦的過程呢），只要不再對(duì)其施加外力，這杯水就會(huì)一直保持那個(gè)樣子。

那么氣體在太空中又表現(xiàn)出什么現(xiàn)象呢？

相比于液體，氣體分子間的間距要大得多，所以就不存在分子間的吸引力了，氣體的壓強(qiáng)來自于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，所以氧氣還是自然地逸散在空間中，和在地面上沒有區(qū)別。

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Part IV：種菜

我們將視角進(jìn)一步往前看，如果在太空中可以大規(guī)模種植植物，建立生態(tài)系統(tǒng)，植物可以通過光合作用吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣，那么不僅可以解決水和氧氣的問題，同時(shí)也能解決食物的問題。

前面提到，在太空中大部分時(shí)間是處于微重力環(huán)境下的。對(duì)于植物來說，沒有了重力的約束，可能就不需要土壤的支撐了。細(xì)胞之間不再受到重力的擠壓，彼此間的距離就不會(huì)太緊湊，同時(shí)細(xì)胞可能會(huì)朝著四面八方肆意生長(zhǎng)，這樣種出來的植物可能就會(huì)比在地球上大。

但是微重力也可能影響細(xì)胞骨架，導(dǎo)致細(xì)胞的生長(zhǎng)可能出現(xiàn)畸形，或者會(huì)影響細(xì)胞膜的性質(zhì)，從而影響細(xì)胞間物質(zhì)的交流，同時(shí)微重力也會(huì)影響細(xì)胞分裂周期[10]。

總之，微重力對(duì)植物生長(zhǎng)的作用依然是當(dāng)下太空微重力科學(xué)研究的重點(diǎn)。我國(guó)發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙也攜帶了研究微重力情況下植物和細(xì)胞生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)艙。

在太空中大部分情況是缺少土壤的，所以可以采用水耕栽培的方法種植植物。水耕栽培又被稱為無土栽培，在地球上通常用來克服土壤栽培遇到的鹽漬化，病蟲害，酸堿失衡等困難[11]。水耕栽培通過調(diào)配適當(dāng)?shù)?strong>營(yíng)養(yǎng)液使植物生存。

一般的新鮮植物有75%~95%的部分為水分，剩下的干物質(zhì)包括C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S等基本元素和Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、Ni等微量元素，微量元素具有調(diào)節(jié)植物的新陳代謝，參與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸、信號(hào)傳遞和滲透調(diào)節(jié)等功能[12]。

為了給植物提供足夠的基本元素和微量元素，我們可以將含各種元素的化合物與蒸餾水溶解混合調(diào)配成營(yíng)養(yǎng)液，同時(shí)需要設(shè)定一定的溶液PH值。

栽培過程為首先選擇飽滿無蟲病的種子，其次消毒使其在培養(yǎng)過程中不被細(xì)菌感染。

然后用水浸種使種子吸足水分，種皮膨脹，從而使種子可以吸收氧氣，加強(qiáng)種子代謝、酶促反應(yīng)等生命過程。

再其次等待其發(fā)芽后移栽至營(yíng)養(yǎng)液中，最后定期更換營(yíng)養(yǎng)液同時(shí)及時(shí)補(bǔ)充消耗的氧氣[12]。

以水稻水耕栽培為例，從左到右分別為水稻種子吸水露白，發(fā)芽以及移栽過程。（來源：參考文獻(xiàn)[12]）

土壤種植或許也是一種在太空中種植植物的方法。比如在電影火星救援中，主角就是通過利用糞便種植土豆為生。

馬克在火星種土豆（來源：電影火星救援）

但是要大面積的進(jìn)行土壤種植還是需要更加細(xì)致的研究外星球土壤的理化性質(zhì)，然后對(duì)土壤進(jìn)行改造，使土壤可以儲(chǔ)存水分、礦物質(zhì)。同時(shí)土壤中必須存在細(xì)菌、真菌組成的生物群落以保證植物根際圈的存在，這是因?yàn)槲⑸锏?strong>氮代謝，發(fā)酵和呼吸作用等生命活動(dòng)對(duì)植物根系生長(zhǎng)有著重要作用，微生物與植物間形成共生、拮抗和寄生的關(guān)系[13]。

總之，在太空中進(jìn)行土壤種植依然處于一個(gè)暢想的階段，我們先安下心來研究一下剛從月球帶回來的月壤吧。誒嘿！

失去夢(mèng)想之月壤不能種菜（來源：bilibili-光明日?qǐng)?bào)）

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Part V：用電問題

通過以上的分析過程，想要在太空中生存，不管是生產(chǎn)氧氣和水，或者種植植物，更不用提空間站和儀器的運(yùn)行，這些都是需要大量的能量或者電力。那么在太空中如何發(fā)電呢？

能直接想到的一個(gè)方法當(dāng)然是利用太陽能發(fā)電了，也就是利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。

對(duì)于一個(gè)原子來說，電子分布在原子核外部的各個(gè)能級(jí)之上，當(dāng)兩個(gè)原子互相靠近時(shí)，這些能級(jí)就會(huì)發(fā)生分裂。對(duì)于固體來說，其內(nèi)部存在大量互相靠近的原子，同時(shí)由于原子排列是周期性的，會(huì)導(dǎo)致原子中的電子軌道互相交叉從而形成能量連續(xù)分布的能帶。能容納電子的部分稱為允帶，不能容納電子的部分稱為禁帶。禁帶的大小稱為能隙。

允帶又分為導(dǎo)帶和價(jià)帶。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體來說，在沒有外部干擾的情況下，絕大部分電子都處在價(jià)帶中，不參與導(dǎo)電。只有少部分電子受溫度影響會(huì)躍遷到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電，溫度越高，躍遷到導(dǎo)帶中的電子越多，這就是半導(dǎo)體隨溫度升高導(dǎo)電性會(huì)變好的原因。這些熱電子為平衡載流子。

固體中能帶的形成過程及半導(dǎo)體的電子分布

對(duì)半導(dǎo)體實(shí)施不同的摻雜會(huì)變成n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。比如對(duì)于硅單質(zhì)來說，它本身是一個(gè)本征半導(dǎo)體，也就是激發(fā)到導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴一樣多。

如果摻雜磷原子，會(huì)額外引入一個(gè)電子，從而導(dǎo)致電子比空穴多，主要靠電子導(dǎo)電，也就成為n型半導(dǎo)體。如果摻入硼原子，會(huì)額外引入一個(gè)空穴，從而導(dǎo)致空穴比電子多，主要靠空穴導(dǎo)電，也就是成為p型半導(dǎo)體。

將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體合在一起就成為了pn結(jié)。

由于n型半導(dǎo)體中電子濃度更高，所以電子會(huì)發(fā)生空間擴(kuò)散，從n型半導(dǎo)體中擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體中。電子離開n型半導(dǎo)體原本的區(qū)域后會(huì)留下不可移動(dòng)的正離子實(shí)，形成了正電荷空間區(qū)域；電子進(jìn)入p型半導(dǎo)體填補(bǔ)了原本區(qū)域中的空穴，形成了負(fù)離子實(shí)的負(fù)電荷空間區(qū)域。電子的空間擴(kuò)散導(dǎo)致原本中性的二者出現(xiàn)了空間電荷區(qū)域，從而在內(nèi)部形成電場(chǎng)[11]。

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，如果光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，大量電子會(huì)吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶中稱為非平衡載流子。對(duì)于pn結(jié)來說，這些非平衡載流子通過內(nèi)部自發(fā)的電場(chǎng)發(fā)生遷移，形成電流。太陽能電池就是依靠這個(gè)基本原理將光能轉(zhuǎn)化為電能。

pn結(jié)光生電流原理示意圖

除此之外也可以利用核反應(yīng)發(fā)電。核能發(fā)電目前主要的方式是核裂變，未來期望能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

不管是核聚變還是核裂變，基本原理都是原子核在極高溫下失去質(zhì)子或中子，質(zhì)子和中子重新形成新的原子核。新原子核形成的過程中，參與反應(yīng)的舊原子核和質(zhì)子中子的總質(zhì)量大于新的原子核的質(zhì)量，這是因?yàn)樵雍藘?nèi)部質(zhì)子和中子是靠核力的吸引結(jié)合在一起的，所以結(jié)合能是負(fù)的。所以在后面這個(gè)過程會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，虧損的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)化為巨大的能量。

比如一個(gè)典型的輕核聚變過程為氘核（一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子）反應(yīng)生成氦原子核（兩個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子）、質(zhì)子和中子的過程，中間產(chǎn)物伴隨著氚核（一個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子）和氦3（兩個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子）的產(chǎn)生[15]：

那么如何將核能轉(zhuǎn)化為電能呢？

其實(shí)方法很簡(jiǎn)單，就是燒開水。核能加熱水使其變成具備很高動(dòng)能的水蒸氣，水蒸氣吹動(dòng)機(jī)械葉片通過電磁感性效應(yīng)產(chǎn)生交流電。

交流發(fā)電機(jī)原理圖（圖源：百度百科）

未來是否能發(fā)展其他的發(fā)電方式呢？

答案是有的，比如利用熱電材料進(jìn)行溫差發(fā)電。

對(duì)于一個(gè)熱電材料來說，如果其兩端有著不同的溫度，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，連接上導(dǎo)線短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。

熱電效應(yīng)示意圖（來源：參考文獻(xiàn)[16]）

熱電效應(yīng)最早由德國(guó)科學(xué)家塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)。其基本原理為：對(duì)于半導(dǎo)體來說，其熱端的載流子會(huì)比冷端具有更大的動(dòng)能；同時(shí)，前面我們提到，熱激發(fā)也會(huì)使載流子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，所以熱端躍遷到導(dǎo)帶的載流子更多。兩者共同的作用使得載流子會(huì)擴(kuò)散到冷端，從而使得半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電荷的積累。

比如對(duì)于n型半導(dǎo)體，電子從熱端遷移到冷端，從而在冷端積累負(fù)電荷，熱端形成正電荷區(qū)域，所以半導(dǎo)體的兩端就會(huì)形成電勢(shì)差。[16]

目前熱電材料依然處于發(fā)展階段，但也有著廣闊的應(yīng)用前景。

6

結(jié)語

好了，你已經(jīng)掌握了在太空中生存所需要了解的基本知識(shí)了，做好去太空安家和冒險(xiǎn)的準(zhǔn)備了嗎？

雖然但是，人類要飛向宇宙還有著很遠(yuǎn)的路，需要依靠各行各業(yè)每個(gè)人共同的努力。

總之，讓我們向著遠(yuǎn)方的星辰和宇宙的深淵，前進(jìn)！