大航天之大幕初开

徐徐拉开的大幕

2020年虽然是灾难和悲剧的一年，但这一年的航天探索却并没有受到太大的影响，成果丰硕，很多新闻令人振奋。这一年，三国航天器访问火星，中国首次成功到达；中国首次从月球上采取月球土壤返回；美日分别从两颗小行星上采样返回地球；欧洲太阳探测卫星发射；美国太阳探测卫星抵近太阳到仅1400万公里，此处太阳光强度超过地球上空100倍；SpaceX公司可完全重复使用的两级入轨星舰飞船测试；星链项目实施；中国一系列火箭首次发射，北斗完成，……

而2021年，更多令人惊心动魄的航天项目将实施，包括中国首次降落火星；中国天河号空间站发射；美国、俄罗斯、日本、印度将重返月球，其中美国将首次发射巨型火箭SLS，并有两次私人公司登月；SpaceX公司的星舰可能实现首次商业发射进入太空；下一代太空望远镜詹姆斯·韦伯发射入轨；一批新火箭发射，包括大推力火箭，其中大部分来自民营公司；……

巨型火箭（图片来源，wikipedia.org）

不远的将来，人类常驻月球(2024)，移民火星(2026)。几十年内，也许人类就会在月球，火星上建设巨大的城市。

火星城市概念图（图片来源：futurism.com)

不经意间，大航天热浪扑面而来，我们大多数人的有生之年，将见证和体验人类跨入一个伟大的时代。

大航天意味着什么？

我们相信，宇宙中充满了生命，但是生命不是智慧文明。恐龙曾经统治地球达两亿年，生存环境极度优越，但是并没有产生智慧文明。即使对于灵长类动物，只有在人类中发展了智慧文明。几百万年来，地球上存在过超过一百种人类，只有一种，也就是现代智人，在生存竞争中幸存，并创造了智慧文明。不同地域，肤色的现代智人创造的人类文明至少有几千种，大量消亡，最后才基本统一到现在的科技文明之中。

生命会消失，物种会灭绝，但智慧文明具有强大的生命力，如果不是特别倒霉，半途遭遇巨大灾难夭折，其生存力可以“寿与天齐”，与宇宙同生死。

前苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫认为，宇宙中的智慧文明发展程度取决于对能源的利用能力。由于智慧文明必须诞生在某一个行星上，那么其发展程度从低到高就可以区分为：

I型：智慧文明充分发展，可以完全利用行星获得的恒星能源，及行星上其它形式的能源。

II型：智慧文明能够进入太空，充分开发利用行星所在恒星的全部能源。

III型：智慧文明能够跨出恒星系，充分开发利用整个星系的能源和其它资源。

能将文明能源利用量提高十亿倍的戴森球（图片来源: wikipedia.org）

按照卡氏的划分，地球文明的智慧层级是0.6左右。但是我们已经具备跨入II型文明的能力。

那么跨入II型文明意味着什么呢？

地球生命自诞生以来，整个三十八亿年中，不同种类的生命都在不停地，你死我活地，争夺地球上有限的阳光，生存空间，水，矿物质，等资源。人类出现后，依然如此。人类争夺其它生物的生存空间，破坏地球生态平衡，互相争夺，互相仇恨，互相杀戮，为了一块领土，一条河流，……

但是太空有无尽的空间与资源，包括能源，矿产。

无尽的资源与空间

先说能源。

从数量上看，地球接受到的太阳能约174，000太瓦（TW，万亿瓦）。人类目前利用的所有能源（初级能源），包括石油，煤炭，天然气，生物质能，核能，水力，风能，等等，一年折合约140亿吨石油（IEA，2019），换算成功率约为20太瓦，只占地球接受到全部太阳能的万分之一略强。当然，地球维持温度，光合作用，阳光照明等能源利用没有算进去。为了地球生态，为了环境保护，我们虽然还可以大量增加能源供应，但是我们会受到很多限制，可以开发的能源总量仍然有限。

但是地球接受到的太阳能只有太阳产生能量的二十亿分之一，是我们目前全部初级能源总量的约二十万亿倍。作为简单估算，我们把目前人类利用初级能源总量乘以一百，也就是每人大约250千瓦（人的新陈代谢大约100瓦，用2500倍人体能量消耗供养一个人，绰绰有余），作为供养地球全部人类的能源需求，那么这些能源可以供养的人口数量是10万亿亿。

再说空间。

人类，和地球上其它的生物一样，只能生活在地表上下很窄的范围内。但是真正能开发为人类居住环境，也就是人类栖息地的，只有城市所占的区域，其它区域要发展农业，保留生态，等等。全世界所有城市占有的土地面积只有大约一百万平方公里，我们假定城市高度，或者人类利用空间的高度是100米，那么我们总共能利用的生存空间就是10万立方公里。这个空间很大了，目前地球上每个人能分到超过1万立方米（国际空间站上每个人只有100立方米）。

到了太空，十万立方公里空间完全可以忽略了。我们假定把水星拆了，做成戴森球，占水星轨道球面十分之一的面积，做成一公里厚的空间，先不考虑材料够不够，那么这一空间大小约为1万亿亿立方公里，是地球上人类生存空间的一千万亿倍，地球上每个人可以分配到十万个全地球的空间。

假定仅仅把月球开发。一种开发方式是将月球提炼出各种元素组分，合成需要的材料，建成一个整体蓬松的球体，半径是现在月球的十倍，体积是一千倍。内部空间可以用作人类生存。这样一个球体的体积是2万亿立方公里，是地球上人类生存空间的两千亿倍，每个人可以分到二十个地球的全部房地产空间。

火星城市概念（图片来源见图中）

还有矿产。

地球上可以开采的矿产非常有限。一方面，因为地球早期的熔岩状态，重元素，包括大多数金属元素，如铁，镍，金，银，铜，钨，所有的贵金属，都沉入了地心。地壳中常用工业和建筑用元素占比很低，储量低，开采困难。另一方面，地球是一个动态的氧化环境，难以维持冶炼需要的高温，也容易锈蚀氧化，大量金属不能直接使用。地球上主要矿物元素的储量都不高，如铀，只有几百万吨，铁，几千亿吨，铜，几千万吨。由于地壳深部开采困难，不能把深层可能存在的矿产加进来。我们把地球上所有的金属元素的远景储量加在一起，只有一万亿吨量级。

而对于金属质（M型）小行星，或者月球，水星，这样的低重力，无大气，内部金属质，外部石质（S型）星球，长远来看可以吃干榨尽。月球的质量是7千亿亿吨，是地球金属矿产储量的约一亿倍。水星约3万亿亿吨，是地球上金属矿产储量的三亿倍。并且各种稀有元素，贵金属比例要远高于地壳。

大家一直谈论的16号小行星灵神星，是一颗金属质小行星，本来是一颗更大小行星的内核，主要由各种金属构成。它的重量约三亿亿吨，是地球全部金属矿产的三万倍。有人把它按照市价换算成钱，可以分给地球上每个人100亿人民币。

如果要算成钱的话，水星可以让每个人分到100万亿人民币。太阳能按照25%的发电效率，每度电1毛钱，开发十分之一的太阳能，一年可以分给每个人一千万亿人民币。

火星当成地球来开发，并不是非常困难，由于火星只是一个荒漠，不需要考虑环境保护，生态保护，我们可以开发几乎全部的土地，相当于再造好几个地球。对于更多的低重力星球，如几十个较大的卫星和小行星，如果有必要，可以垂直开发更大的高度，也可以深入星球内部，一个这样的星球就可以相当于更多的地球。

跨文明层级的发展方向

太空文明是下一个层次的文明，跟地球目前的星球文明相比，完全不可同日而语。太空文明具有巨大的发展空间，巨量的矿产，巨量的能源，几乎绝对的生存能力，碾压性的技术优势。

太空时代的到来并没有那么难。新的技术，新的社会形态，会在不断的开发过程中涌现，我们并不需要担心现在是否已经准备好。实际上，经过工业革命、信息革命之后，我们只要跨出地球，把发展重点逐步转移到太空，需要的技术能力，工业能力，就会慢慢出现。太空中的工业发展，城市建筑，在进入那个时代之后，反而比地球上有更大的优势。比如能源丰富，便于能源利用的温差大，不需要拆迁，不需要考虑对环境生态的影响，运输极端高效节能，低重力，高真空，很多情况下，对结构强度的要求大大降低，或者可以建设非常大的结构，没有侵蚀氧化，没有风雨雷电，基本没有自然灾害，等等。

当基础工业能力大大提升之后，技术开发能力也会相应增强，结合人工智能等技术的发展，太空时代的开发会指数式加速实现。也许并不需要很长时间，比如几百年，我们就可以向III型文明发展。

一点说明

想写大航天已经很长时间了。大约十年前写了《下一次革命》，提出了地球上长远可持续发展的一些技术方案。本来计划下一步就写走出地球。原来没有想到航天发展会有那么快。这些年，国际上，包括国内，已经有大量民营企业投入航天开发。

从小就喜欢做太空漫游的白日梦，这些年也看了很多理论，技术，开发方面的文献，很多技术已经可以串起来了，未来太空开发已经触手可及。很多具体的发展步骤，曾经带过一些本科生，作为毕业论文，做过一些调研，也在关注各方面的进展。

本文是大航天系列的第一篇，以后会逐渐讨论如何发展，会变成什么样，需要什么样的准备等。欢迎大家讨论，不吝指教。

为什么要发展到II型文明

生命的内在需要

生命的属性是生存和繁衍，然而，被人们忽视的是，伴随生存和繁衍的是不断的进化，开拓，和发展。地球生命诞生以来，一直在不停地发现新的生存模式，寻找新的生存空间，从小范围的海洋，沼泽，到更大范围的海洋，河流，陆地，天空。所以，开拓和发展，同样也是生命内生的属性，永远不可剥离。

地球生命演化到现在，发展出智慧文明，非常不容易。可以说，我们非常幸运。我们已经搜寻了几千光年内的上亿颗恒星，还没有发现生命的痕迹，更不用说智慧文明了。

无论我们称他为造物主也好，上天也好，高维度模拟者也好，他真的非常用心地为地球准备了各种恰到好处的条件和适时的机遇，最后让人类创造出智慧文明。

我们有一个稳定的太阳；处在银河系的合适位置，既不太活跃，又有足够的重元素；外围有四个大行星护航，保护地球不受到频繁的小行星轰击；地球既不太大，也不太小，离太阳不近不远；正好有一个较强和稳定的磁场，保护地球大气不发生长期变化；正好有足够大一个月球用来稳定地球的转动轴；正好有差不多大小的陆地和海洋维持较稳定温和的温度，并提供不同的栖息空间维持足够的多样性；地壳运动，海洋，大气循环驱动被生命沉积的化学元素返回生态循环，保证有足够大的生物圈体量；正好有一次适度规模的星球级灾变消灭了哺乳类难以对付的，长期霸占地球而无法发展智慧文明的恐龙；正好给了现代人一个足够长的间冰期，让人类可以发展到足够的人口，形成足够多样的文化，交流产生贸易和科技；月球正好可以成为我们开发太空的阶梯，……

几十亿年温和到恰到好处的发展环境和机遇，让代表地球生命的人类走到了跨出地球的临界点，我们有什么理由止步不前呢？地球上的其它生命，为人类智慧文明的发展，作出了重大牺牲。我们常把太阳比喻为父亲，地球比喻为母亲，难道我们不应该长大吗？不应该成熟吗？不应该担负起自己的责任，去开拓发展吗？难道我们应该啃老等死？

所以，带领地球生命，将智慧文明发展到全宇宙，不是选择，而是必须。我们没有拒不长大，赖在地球上当巨婴的权利。

生命演化过程(图片来源，ck12.org)

现实的需要

势利地看，我们发展恒星文明有现实的需要。

首先是生存的需要。因为地球一直有重大灾变的风险，多一个星球，同时发生重大天文灾害的可能性小很多很多倍。

其次，恒星文明对行星文明有碾压优势。简单地说，如果谁先发展为恒星文明，别人就拿他没办法，而他只要随便动一下小手指头，别人就被摧毁了。

为什么那么说呢？

我们可以比较资源和工业能力。地球上目前钢产量最高的国家是中国，一年10亿吨，以后不太可能大幅提高了。如果在太空呢，由于我们在第一篇中列出的那些条件，假定这是一个国家，那么她的钢产量一年可能是1000亿吨。当然还有发电量，地球上发电量最高的国家也是中国，2020年7.4万亿度，以后也不太可能成量级地提高，而太空开发国家呢，可能是1亿亿度。当然还有铝，钛，等关键材料，以及金、钌、铑、钯、锇、铱、铂等潜在工业价值非常大的金属，产量更是可以大大超过地球上的国家。这种基础工业能力的巨大差别，对比已经没有意义了。

我们再比较安全和攻击能力。太空开发国家的安全基础来自距离，体量，技术代差，资源多寡，工业能力等。在战略武器面前，地球上的国家之间已经没有战略纵深，一拼就是大家一起灭亡。但太空开发国家具备极大的战略纵深。地球上的战略核武器根本没有用。因为，首先，现有的核武器载具都无法达到第一宇宙速度，也就是发射不出地球。即使改进了，速度有限，需要几个月几年才能接近目标，对方可以从容防御。其次，太空没有大气，核爆效果非常有限，有杀伤力的只有辐射，而太空本来就充满了辐射，太空大型设施可以抵抗强大的辐射。至于其它的武器，如轨道炮，激光之类的，挠痒痒都挠不到。

而太空开发国家要对付地球上的国家，太容易了，从月球上取一大块石头，算准了往地球上扔，地球国家根本无法防御。还可以用电磁能武器，大的阳光反射板，等等，地球国家既无法防御，也无法反击。如果要对抗，地球国家在太空开发国家前面，就像蝼蚁对大象。

太空规模开发之后，建造的生存空间，太空城市，体量可以非常巨大，不像地球一切暴露在地表。即使遭遇巨大的星际灾难，如超新星爆炸，伽玛暴，等，太空文明仍然可以大部分存活下来，并很快恢复，而地球就会发生大灭绝，被永久摧毁也不一定。

陨石攻击可以很精确，杀伤力巨大(图片来源：mag.rjeem.com)

成熟的太空文明必然能够探测到附近恒星的活动，提前做好准备，规避风险。大型望远镜可以察觉非常远距离的威胁，超过韦伯望远镜百倍千倍能力的望远镜，可以部署在太阳系深空，起观察和警戒的作用。

永久和平

实际上，如果发展为II型文明，我们就不需要考虑战争了。人类社会，理性文明的发展方向是更文明，更和平。更高层次的文明没有理由仍然执着于战争。

原因是，实力相差悬殊的战争没有意义。实力相差不大的战争给双方带来巨大伤害，对谁都没有好处。不存在对资源的争夺问题，资源太多了。实在不够了，出发去另一个恒星系。

因为大家都从地球出发，所以早期的竞争仍然是存在，并且必要的，但是会通过协商的方式解决。

在这个世界上，一些人的控制欲才是这个世界的癌症，争夺领导权，争夺资源，挑起争斗。但是，发展到II型文明之后，在如此巨大的文明和智慧面前，个人的力量更渺小，每个人都更依赖文明整体，个人的贪欲更不容易影响文明整体，一些人不健康的控制欲也可以在虚拟世界中得到释放。II型文明中，政治模式会出现新的变化，总的来说会更透明，更公平，更民主，个人贪欲影响更小。

我们也可能会很快掌握人体休眠修复技术，让人永生。我们不再需要为短暂的人生担心，和遗憾。

体量巨大的II型文明(图片来源alchetron.com)

II型文明由于绝对物理距离太大，局部文明可以自成体系，可以更多样化，每个人可以找到自己喜欢的文明形态和生存环境，再辅以虚拟世界技术，每个人可以有充分的人生体验，从而变成哲人，圣人，与人类文明整体合体。

万事开头难，上路是日常

万事开头难

虽然我们前面说了，发展到恒星文明，既必须，也可行。但是，在一般人的心目中，太空开发、星际殖民，似乎仍然是一件可望不可及的事情。这是为什么呢？因为，万事开头难。世界上所有的事业无不如此。

我们可以与500多年前的大航海相比。当时航海的船只是木帆船，不大，一般不超过一千吨，抗风浪能力差，还有遭遇战乱、海盗出没、海况不明、导航设施缺乏，等诸多没有解决的问题。从欧洲到亚洲的越洋航运风险巨大，差的时候每出去两条船，就有一条船回不来，产生巨大的生命和财产损失。特别是早期，不能确定是否有收益，也不能确定是否能活着回来。但是，随着贸易的发展，即使考虑了损失，总的收益仍然丰厚。因此，大航海逐渐发展起来，将全世界连成一体，并引发了后面人类社会的一系列革命。

大航海时代的多桅帆船(larsonweb.com)

再比如信息时代的到来。在这之前，我们发明了印刷术，缓慢建立了不普及的教育系统，电子计算机出现之前，计算工具发展了几千年。即使电子计算机出现后的20世纪40年代，到微型计算机开始进入千家万户的80年代，也有很长的时间，软硬件都很贫乏，对社会的影响不显著。但90年代以后，社会信息化迅速发展，只过大约20年，全球的信息化基本普及。我们在90年代的时候，很难想像，现在的手机比当时的超级计算机还快。

万户飞天（wikipedia)

人类的太空之旅同样充满坎坷。从明代万户陶成道鲁莽的飞天尝试，到美苏太空竞赛初期的各种事故，深空探测很低的成功率，航天飞机的灾难性事故，太空和地面训练中遇难的宇航员，大量失败的火箭发射，等等。

到了今天，太空探索事业已经蓬勃发展，各种风险也得到了有效控制，载荷上百吨的巨型火箭将再次投入使用，批量发射。几年之内，人类航天发射总量将大大增加。发射总量的增加，太空设施的建设，意味着太空开发步入正轨，进入日常。

上路是日常

到目前为止，发射成本仍然很高，风险也不算很小。但随着发射量的增加，经验和技术的积累，成本会逐渐降低，风险也会越来越小。

另一个可以参考的例子是航空。经过一百多年的发展，航空已经是现代社会的重要行业部门，费用已经非常低，风险也非常小了。

随着开发的继续，进一步大幅降低发射成本和风险的技术会出现。对于商业航天，也许最终费用只比航空高几倍。但那时候，太空开发带来的巨大商业机遇，会将全球的财富总量增加很多倍，这样，航天就跟我们现在的航空一样平常了。目前，一个人太空几日游的费用大约是3000万美元。我们可以期望，在未来的几十年里，将指数式下降至一万美元左右。

加速步骤

那么，会出现那些技术或情况，导致航天费用和风险大幅降低呢？

技术的完善是一方面，就像航空工业的发展那样。

其它技术的进步和实用化，会让现在看起来很困难的工作大大简化，比如机器人与人工智能的继续发展。美国最新的火星探测器，也可以叫机器人，毅力号，已经能够自主决定很多日常事务，包括选择降落地点这样的关键任务。以后的发展，可以让机器人具备接近人的自主决定能力，从而接手现在需要航天员才能完成的工作，大大简化航天器的保障系统，提高任务执行能力，降低开发任务对环境的要求。

随着开发的进行，会出现新的基础设施，带来新的技术解决方案。比如天机索（skyhook，也叫太空钩）系统，能够大大提高太空转运能力。火箭速度增量大小跟效率直接指数相关，速度增量越大，效率越低。但是天机索可以以极低成本提供速度增量，或者转向，方便转运货物。只要在地球，月球，及其它合适位置布置天机索系统，就可以将太空发射和运输的成本降低至可以忽略的程度。

天机索（skyhook)方案，直接给航天器提供速度增量和转向（NASA）

另外，在月球上建立冶炼厂，工厂，在有机器人帮助的情况下，比地球条件好很多。月球上能量供应充足，高真空，低重力，没有空气带来的困扰，工厂容易建立，生产容易进行，产品成本低，质量高。

美国军方的一个月球工厂概念

有了月球提供的大量基础原料，工业产品，以及天机索转运系统，任何其它星球或轨道位置的开发，都比直接从地球出发容易得多，而且几乎不需要地球提供物资和财力支持。也就是说，月球初步工业化之后，整个太阳系的开发，在物资和能源方面都是自持的。甚至可以反过来为地球提供大量产品和原料，而不需要来自地球的支持。地球上的人类社会可以只受益，不付出。或者只提供技术和知识方面的支持，提供决策。

大航海的教训

贸易与社会发展

说起大航天，不得不回顾几百年前的大航海，以及中国如何错失良机。抓了满手王炸，最后输掉内裤。

人类文明的发展，体现在社会的文明程度，硬指标是生产力和科学技术的发展。一个人类文明如何发展，也就是人类社会如何组织，却有很多模式，并不是所有的模式都适合发展。地球上存在过的所有人类文明模式，或者说文化，百分之九十以上都已经消失了，因为不再发展，或者在与其他文化发展竞争中失败了，或者融入其他文化之中。

人类社会发展过程中，最重要的因素之一是贸易。贸易是联系人类的良性纽带。它让人们互相依赖，互为对方的财富来源，互相促进，互相提高，促进专业化，推动技术革新，提高全社会的生产效率。贸易也需要和平的环境，促进和平，促进交流。而基于权力的利益分配，让人类互相争夺，互相伤害，扼杀创造性，压制生产力发展。一个区域人类社会中，贸易涉及的体量越大，社会结构越完善，越健康，发展越好。

古代环地中海贸易路线（schengentrading.com）

长距离贸易的历史很长。因为人类是不断迁徙的，而有些物品，比如盐，燧石，矿物，并不是到处都有。中古以后，贸易规模越来越大。区域性贸易，比如环地中海，丝绸之路，罗马到印度，有非常成熟的贸易。春秋时管仲以工商强齐，贸易是重要手段。长期以来，江南富甲一方，离不开便于开展贸易的水路网络，以及基于贸易的高效专业化生产。

唐宋时期海上丝路(新华丝路网)

由于古代陆路运输的困难，海上贸易一直占有重要地位。并且，海上贸易可以将范围更广的不同人群联系到一起，促进更大范围的交流，客观上促进了人类社会的进步。

作为农耕文明代表的中国各朝代，长期采取重农抑商的政策，压制贸易。对关键的工业和贸易，实行垄断专营。这是“秦制”以来，法家弱民术的延伸。

世界上并不只有中国农耕。12000年前最后一期冰期结束，农业革命兴起，世界各处都出现了农耕文明。贸易会伴随农业生产，手工业，采矿冶炼等行业的兴起自然产生，并在沟通连接社会中起到重要作用。实际上，除了游牧文明，和更原始的渔猎文明，所有的古代国家都必须以农业为本。但随着手工业的发展和知识的积累，农业生产效率会不断提高，更多的人慢慢不需要从事农业，从而促进文明不断发展。

贸易有内生的发展动力。在封建极权弱化的唐宋时期，包括喜欢做生意的元朝，中国海上贸易有非常大的发展，泉州，广州等成为海上贸易中心。大量工农业产品，如茶叶，丝绸，瓷器，输出海外，并从东南亚，西亚，东非，等地区进口香料，木材，药材，工艺品，等。宋朝工商业发达，富甲天下，文化科技繁荣，领先世界。

大航海

大航海将贸易连接的人群扩展到全球，当时导致了地理大发现。地理大发现带来的科学的迅猛发展。随后，由于市场的扩大，又直接引发了工业革命，世界从此跨入现代。一般把世界历史划分为1500年之前的世界，和此之后的世界，足以说明大航海对人类社会的发展影响多么深远。

在大航海初期，中国仍然是航海实力最强的国家，手工业产量，人口，都遥遥领先。郑和下西洋比西方哥伦布，达·伽玛的探险早了近100年，船队的规模，吨位，技术先进程度，都是其它航运实体无法相提并论的。欧洲人发动大航海，是为了航行到印度，而中国到印度距离短，航路成熟。如果中国当时看对了方向，以远远领先的经济实力，工商业能力，人口，文化科技，完全可以启动中国版的地理大发现，与西方交流，科技融合，率先发起工业革命。这时候，中国可以说抓了满手王炸。

郑和下西洋路线图(laozhaopian5.com)

然而，后面的发展令今天的中国人扼腕叹息。郑和之后，明朝竟然实行了海禁，禁止出海。为什么呢？郑和下西洋实际上收益丰厚，赚了很多钱。明朝好长时间都花不完。但是，由于民间海上贸易的发展，导致郑和带来的各种奇珍异宝，香料木材，市场价值下降。明朝为了垄断高额利润，禁止民间贸易。官员们也因为朝廷拿贬值后的进口产品抵工资，怨声载道，反对下西洋。从此，明清两朝五百年海禁，中国主动拒绝了地理大发现，科学大发现，工业革命，……。

错过了，改正，赶上潮流，并不难。俄罗斯本来是一个落后的农奴国家，彼得大帝主动学习西方，很快位列诸强。日本脱亚入欧，维新改制，迅速崛起。明朝时期，东西方交流，至少在高层已经不少，很多传教士来华，一些在朝廷担任官职。明朝仍然有了解世界的机会。到了清朝，面对席卷全世界的现代化浪潮，满清贪恋特权，抱残守缺。等到日本崛起，甲午一战元气大伤。后发神经，引起庚子事变，……。目短自私，与民争利，自争下流，怪得了谁？

唐宋以来建立的海上强国，工商强国，葬送于朱明之手。哪怕消极对待，不主动下西洋，但不禁止民间自发贸易行为，略加管束，抽取税金，也不会如此荒唐而屈辱地错过一场发展大潮。

大航天的机遇

与大航海相比，大航天的目的和直接效果未必相同。但都会创造无限的发展潜力，无穷的创新机遇。大航海导致大发现，大发明，大变革。大航天将导致更大的发现，更多的创新，更大的变革。

人类文明是一个整体，本来并不需要讨论谁先谁后。但是向前发展是所有人类的责任，良性竞争是发展的必要阶段。在航天方面，中国起步较晚，目前的国际气氛也不是非常友好，但是中国仍有自己的优势。首先，我们还是应该改善国际关系，与其他国家和国际组织平等互惠合作。其次，我们要充分认识到发展大航天的重要性和紧迫性，大力推动航天事业发展。第三，中国有基础工业能力较强，科技人员众多，容易上规模，成本较低，等优势。即使技术略有欠缺，没有代差的情况下，仍然有竞争优势。

虽然看起来竞争还没有开始，太阳系提供的资源和空间，在很长时间范围内，似乎看起来也是无限的。但是大航天仍然面临激烈竞争。这是因为，所有开发最初都要从地球上出发，那么与地球有关的一些资源，比如轨道空间，特殊轨道位置，就是争夺的焦点。如果要实施天机索，天机索要占据很大的轨道高度，先实施的项目将排挤后来的项目。再比如，大家都要开发月球，那么月球适合开发的初始位置有限，比如包含永昼点的南极附近，同样是先到先得。月球的轨道空间也一样。还有拉格朗日点等特殊位置。以后即使有国际空间开发协议，公约之类，技术领先，开发中走在前面的国家或机构，当然占有先发优势。

美国月亮女神-P1卫星的轨道图。任何卫星入轨，将影响后续项目。(NASA)

所以，大航天机遇期窗口短暂。从各国的开发计划看，不会超过十年。十年之后，明显落在后面的国家，以后更难。除非前面的国家走错路。从这一点看，中国面临的形势很严峻。目前，大规模开发必须的大推力火箭计划发射时间已经明显落后于美国，而美国有多项大推力火箭计划，包含多家民营机构。

美国SpaceX公司星舰概念图（SpaceX）

美国的SpaceX公司大推力火箭Starship（星舰）低轨道发射能力达150吨，从2019年开始，开始密集测试，2021年已经发射两次，第三次计划三月份进行。计划今年进行第一次商业发射。狂人马斯克号称30年内将100万人送上火星。还有多家商业机构计划开展太空旅游，太空采矿，微重力生产等项目。

中国如果不想错过大航天的机遇，除了加快发展大推力火箭，还要充分动员民间力量，普及大航天意识，开展商业项目研发，发展太空经济。在大学开展相关研究，培养人才。

月球本地矿产开发和冶炼，国际上已经有了长期研究。我们可以直接建立月球工程实验室，作为第一步战略开发目标。相比而言，深空探索，甚至包括火星探索，都没有月球开发重要。火星工业化难度远比月球大。

太空经济——无穷财富

变革性大发展创造无穷财富

在以财富衡量社会文明程度，发达程度的条件下，像大航海、工业革命、信息革命这样的大变革，带来生产力大发展，必然产生无穷机遇，创造无穷财富。

以跨国贸易为例。古罗马的高级丝绸大约需要同等重量的黄金。郑和下西洋，采购的胡椒在国内的价格是采购价的20倍，红木，象牙，犀角，珍珠，都是奢侈品，产地采购成本几乎可以忽略。明朝初年的财大气粗，南征北伐，郑和下西洋起到了重要作用。古代阿拉伯地区的繁荣离不开垄断东西方贸易。

大航海时期，作为欧洲的“海上马车夫”，小国荷兰是大航海的积极参与者。荷兰东印度公司，是一家纯商业机构，军力不强，所雇军人属于保安性质。荷兰从来也不是军事强国，不过，乘贸易之便，顺便殖民，后来占领了南非。仅仅是因为主导了欧洲到东亚的贸易，该公司当时的商业价值，按照现在的美元计算，是7万亿美元，超过现在苹果，微软，亚马逊，特斯拉等新贵公司的总和。至于后来的英国东印度公司，因为殖民占领，价值更是无法估量，但它已经政治化，不是传统意义的商业公司。

17世纪，荷兰有欧洲最大的航海商队，主导了到东亚的贸易(rijksmuseum.nl)

工业革命时期，大规模基础建设诞生了诺贝尔，电气化诞生了爱迪生，钢铁诞生了卡内基，石油能源诞生了洛克菲勒等，汽车革命诞生了福特，等等，造就了一大批富豪家族。

信息革命中，电脑普及诞生了比尔盖茨，戴尔，互联网兴起诞生了杨致远，谷歌团体，互联网社区化诞生了扎克伯格，马化腾，电子商务诞生了贝佐斯，刘强东，马云，……，现在还在不停造富。

太空经济

大航天将创造的太空经济同样会引起社会变革，造就无穷财富。

目前常规的太空经济，包括发射，卫星转播，通讯，导航，遥感，等，规模已经不小，2020年全球为3850亿美元。摩根斯坦利基金曾估计2040年会达到10000亿美元。

未来太空经济的规模，取决于发展速度，新应用的出现。如果各国竞争大航天，取得信息革命这样的指数发展速度，太空经济规模不可限量。

狂人马斯克创立的SpaceX公司，开始没有多少人看好。一家私人航天公司？自己研究火箭？移民火星？开玩笑吧？强大的前苏联都被拖垮了。到了今天，那些笑话马斯克的人不太笑得出来了。就算2024年做不到，2030年做到了，仍然了不起。马斯克初创特斯拉公司的时候，公司估值300亿美元，现在价值6000亿美元。也就是说，特斯拉公司为人类创造了近6000亿美元的财富。而SpaceX公司呢？有人估计，如果它能如期实现主张的目标，十年内估值将达到10万亿美元，超过历史上曾经出现过的最有价值商业公司，跟目前中国所有上市公司加起来的价值差不多。

马斯克火星殖民概念图(CNET)

像鲁莽的明代万户做的那样，仰望星空的情怀，举国欢腾的成就和骄傲，并不能驱动太空事业健康发展。一项事业不竭的动力来自商业需求，来自有利可图，来自每个人都愿意干。商业需求才是原生动力。我们看看不远的将来，将会出现那些有利可图的商业应用。

可能出现的太空商业应用

高精密加工：高精密加工有广泛的工业用途，关键部件加工精度提高一倍，价值可以提高十倍，太空微重力环境没有环境振动，没有重力导致的变形，便于加工大型高精密部件，比如大型望远镜镜片。

高纯提炼：高纯提炼同样有极高的工业价值。半导体行业需要非常纯净的半导体材料。高纯度极低损耗光纤可以大大降低海底电缆成本。因为不纯带来的损耗，色散等影响，现在的海底电缆大概每五十公里就需要设置一个中继站，几千公里电缆供电是很大的问题，大大增加了成本，也增大了故障概率。研究者认为，太空提炼的极低损耗光纤，可以无中继越洋。

高带宽互联网通讯：SpaceX公司的Starlink（星链）计划已经在实施。为全球提供高带宽互联网接入服务。摩根斯坦利认为该计划目前的估值在810亿美元。

人体器官3D打印：自体培育人体器官具有庞大的市场。该技术的完善可以大幅提高人类寿命。目前，一个供移植的人体重要器官，如心脏，肝脏，肾脏，价值数万美元。但是，活体组织打印在重力环境中很困难，而在微重力环境下容易得多。

人体器官可以通过自体培育打印(Medical Device Network)

快速大块钻石生产：钻石有非常优良的物理性能，包括导热性，硬度，强度，光学性能等，但在地球上很难生产，真空环境中可以开发出快速大块钻石生产技术，开拓全新的工业应用空间。

氦与氦三：地球上的氦非常少，是一次性资源。一旦散逸到大气中就会离开地球。而氦在工业，科研中都有很大的用量。太阳风中有大约十分之一的粒子是氦，可以结合其它应用从太阳风中提取氦。氦三更珍贵，是聚变业界的最爱。

超级太阳风暴减灾：对于已经电气化，电子化的现代世界，超级太阳风暴的危害非常大。减灾行为不是商业行为，但应该成为全人类的公共保障行为。

大范围夜间卫星反光照明：人类已经成为无夜物种。夜间照明耗费大量电力，折合产生大量排放。高效温室农业夜间需要人工照明。夜间照明，冬季日照取暖都有很强的需求。如果在轨道上布置大型反光卫星阵列，可以大量节约能源，大规模减排，同时提高人类的生活品质和农业生产效率。增加夜间照明并不会导致全球变暖加剧，因为白天可以根据需要遮蔽部分阳光。大规模的反光系统可以控制地球气候，减少气候灾害，防止气候大幅变化，消除海平面大幅变化的危险。这项工程相当于提供了精确控制地球气候的能力，是惠及全球的公共保障行为。

月球采矿冶炼：常用金属，如铝，铁，钛，等，可以高温电解得到。稀有贵金属，如金、铂，铱、锇，熔融月岩后可以直接沉积得到，而它们又是很好的电解阳极材料。月岩融化后拉成细丝，变成月岩纤维，性能和玄武岩纤维，玻璃纤维差不多，抗拉强度很高，可以用作天机索的原料。天机索需要消耗大量纤维材料。月岩虽然叫做岩，却不是岩石，而是粉末状的，不结块，因为月球没有地质运动，月壤无法结块。月球上要进行大量建筑，可以直接熔融月壤结块，作为基础材料，也可以用来直接硬化月表。高温熔融可以简单地聚焦反射太阳光到月球土壤。

月球采矿概念图(Jesse van Dijk)

未来穿越服务：时空穿越只是幻想，是不可能的。但是通过休眠，可以相当于穿越到未来。冷冻式休眠在地球上首先有安全性问题，也就是冷冻失效，几百年发生一次就完了。另一个问题是地球上的本底辐射。无论冷冻保存全身，还是人脑，每年会接收到本底辐射，也就是大约2.4毫西弗的辐射量。人体接受的辐射量不能超过500毫西弗。而冷冻期间，由于人体没有新陈代谢，不能修复，所以辐射量是积累的。两百年后唤醒的时候，相当于接受了500毫西弗的辐射，已经是致命剂量了。因此需要保存在极低辐射环境下，冷冻休眠穿越才有意义。最好温度也很低，这样的环境土卫六（Titan）上正好满足，既有极低的温度，又有极低的辐射。所以，如果有人希望穿越到未来，可以在土卫六上保存。这一业务应该商机巨大。谁不想永生呢？

太空旅游：轨道空间站旅游，月球旅游，……，市场前景广阔。

能源：似乎应该在太空就地使用。总量庞大。

世界上最有钱的人曾经叫百万富翁，现在是亿万富翁，拥有千亿美元。太空开发将产生第一个万亿富翁。

火星移民容易还是难？

火星情节

自从伽利略第一次将望远镜对准火星，似乎看见火星上星罗棋布的河道，西方人就开始幻想火星人，火星文明。这些年，美国航空航天局的火星探测器传回来大量精美的火星表面照片，大大增加了人类对火星的了解，让火星看起来触手可及。大概因为火星看起来太像地球了，很多人自然地认为我们应该赶紧移民火星。

那么从技术上来说，几年内将人类送往火星，建立殖民点的可能性有多大呢？狂人马斯克本人对此颇有信心。本来他的计划是2024年将首批人类送往火星。最新的消息是，他觉得“非常有信心”2026年成行。2023年计划安排一次围绕月球的太空旅游。今年正在密集测试用来飞往火星的飞船，星舰(Starship)。

SpaceX公司火星计划宣传图(SpaceX.com)

与多数人的看法不同，我认为星球开发的第一目标是月球，其次也不是火星，而是水星。但现阶段，把人送往火星，过一年半之后，再飞回来，的确不是特别难以想象。当然，月球仍然是最容易的。现阶段，大家趋向于将外星殖民理解为，让人类像在地球上一样生存，也就是在地表建设城市，种植植物。如果是这样，火星的确是第一选择，并且也不是非常困难。

但是，我们仍然需要注意，技术难度仍然非常大，许多传说中的技术未必有用。我们先来看有利因素。

有利因素

昼夜长短：与地球接近。很多人看重这一点。日照时间长，阳光比较丰富，因为基本没有云，不会像地球一样有阴天，但是会有沙尘暴。

温度：不会太热，其它近期可以到达的星球都会很热。一天最高温度是人类感到舒适的温度，摄氏20°左右。虽然夜间温度很低，但保温相对容易，就算有风也没有关系。

有大气：近期可以开发的星球中，火星是唯一有大气的，这也是人们看重的一个理由。大气对软着陆降落非常有利。大气成分主要是二氧化碳，便于以后发展种植。

重力较小：便于返航，各种工程，运输，需要的能量少。这一点，月球，水星，火星，都差不多，不过火星地表有风，早期有水流，所以比较平整，同样便于施工和运输。

土壤成分：相对与地球接近，略加改造可以种植。

有较多的水：对建立类似地球生态非常重要。现在认为火星和地球一样，有地下水，不过一般是冷冻状态，含水量也比较低。

比较大的山洞：地球早期的人类是住山洞的。由于要隔绝辐射，到火星开始恐怕也应该住山洞。山洞也便于保温。建造大量可以防辐射的建筑需要大量设备和能源，开始恐怕不行。当然月球和水星上也应该有。火星上的山洞已经找到，很大，很长。

所以，就自然环境来说，火星是最接近地球的。似乎可以直接开采地下水或者找到水冰资源。在透明穹顶内种植，可以水培或者在改造后的土壤里种植。只要能在火星土壤里种出来任何东西，就可以认为殖民应该没有问题了。

可是，要做成一件事情，并不是只有原则上是否可以就行了。我们还要看所有的技术细节。我们分析一下，过几年殖民火星，或者说，马斯克的2026年人类登录火星并返回的计划，可能存在哪些问题。

SpaceX火星计划方案

火箭：第一级：高72米，直径9米，推进剂3400吨（液态甲烷，液氧），火箭引擎28个猛禽，推力7500吨，比推330秒。第二级：星舰，高50米，直径9米，空重120吨，总重1320吨，推进剂1200吨，6个猛禽引擎，推力1200吨，比推380秒。

SpaceX的火星计划步骤(SpaceX)

过程：第一步，星舰发射，第一级回收；第二步，星舰进入地球轨道；第三步，轨道上重新加注推进剂，加注星舰返回；第四步，星舰加注后飞往火星；第五步，在火星上降落，并利用火星本地资源给星舰重新加注推进剂；第六步，星舰返回地球。

前期准备：2023年会发射一次绕月之旅，日本企业家前泽友作出钱，带上一些艺术家朋友。2024年计划发射无人火星之旅，带过去大量物资，主要是太阳能发电设备。

火星本地推进剂生产：采用萨巴捷过程，即高温高压下氢与二氧化碳通过催化反应生产甲烷。火星上二氧化碳很丰富，氢和氧则通过电解水得到。

可能的困难

先假定火箭技术，发射加注等技术问题已经解决，我们分析一下计划执行的时候会碰到哪些困难。

轨道加注带来的问题：两级星舰低轨道运送能力最大只有150吨，飞往火星的星舰入轨后，需要加注多次，加满1200吨至少要飞八次。2026年飞火的时候，计划不止一艘，而是两艘载人，两到三艘载货，那么就要短时间加注几十次，地面发射压力很大。推进剂是液态气体，需要很低的环境温度，在轨道上时间长了，维持低温的问题需要解决。由于需要留部分推进剂降落时使用，几个月的飞行过程中，低温维持也需要解决。

降落问题：假定飞行顺利，降落也按计划顺利执行。当然，这样不那么简单。以前的任务都是小探测器，最大也就一吨左右。星舰舰体加载荷有两百多吨。在地球上，降落需要平整并坚实的平台。星舰刚飞到火星的时候，当然是没有降落平台的，如何解决？星舰重心很高，如果倾倒，虽然火星重力只有地球的38%，仍然很难处理，并可能造成重大伤害。因为一旦降落，就无法移动，所以几艘星舰应该尽量靠近降落，这也会带来问题。比如，需要找一块很大并坚实的降落点，坚实的降落点基本意味着岩石表面，后期取水就困难。

能源问题：火星太阳能密度不到地球的一半，还经常有沙尘暴。所有设备，生存环境维持，推进剂生产，都需要用电，就要求一个功率很大的发电站。夜间用电意味着还需要有强大的蓄电能力，这些都意味着大量装备物资。

本地环境问题：虽然说火星本地环境对人类来说，比月球和水星好，但是仍然恶劣。大气不可呼吸，只有地球气压的百分之一，人类仍然无法直接在这样的环境中生存，每次出舱都要穿航天服，行动和工作都困难。人只能生活在密闭的星舰里。在不加压的穹顶中能否种植是未知数，如果要加压，穹顶的成本就要高很多。夜间温度到零下一百多度，星舰保温，以及昼夜温差带来的热冲击，对星舰的长期影响尚为未知。

推进剂生产问题：推进剂也就是甲烷和氧气的生产，原理上问题不大，但产能是个问题。对于人员首飞，首先是保证人员飞回来，所以飞去四到五艘，回来只需要一艘，或者两艘，如果要分散风险。长远来说，还是应该飞过去多少，就飞回来多少，要不火星上就会攒下很多星舰，可重复使用也就没有意义了。假定只飞回来一艘，那么至少要加注满，也就是1200吨，其中氧960吨，甲烷240吨。从降落到飞回时刻是一年半，也就是五百天左右。考虑到了之后总要做些准备，达到产能需要时间。那么每天至少需要生产两吨氧气，半吨甲烷。萨巴捷过程生产半吨甲烷需要250公斤氢，电解生产250公斤氢也需要12000度电。一天太阳能板最多折合满负荷工作六小时（这已经比中国2020年太阳能设备利用小时数高近一倍），也就是太阳能板供电能力至少要达到2000千瓦。当然，这只是一道工序，甲烷生产还需要很多电，还有其它设备，制冷将甲烷和氧气冷却到液态也非常耗能。简单估算，太阳能电厂至少要5000千瓦的发电能力，对应地球上的发电能力是12000千瓦左右，需要300瓦的太阳能板4万块，约800吨，已经远超三艘货运星舰的运输能力。这只是太阳能板，还有架子，电线，电池，逆变器，控制器等。所以，哪怕达到最基本的产能要求，对能源供应的要求也很高。

食物供应问题：由于本地环境讨论过的问题，种植只能是实验性的，不可能希望种植生产食物。所以食物必须全部携带，12个人两年多。考虑水可以回收利用，每个人一天最多消耗一公斤干包装高能食物，所以12个人只需要大约10吨食物就够了，不是很大的问题。

对地通讯问题：火星到地球的通讯信道很窄，时延很大，不能实时通讯，对于习惯网络生存的高知人群（航天员们），是一个很大的挑战。项目共有两年多时间，不是很好打发。

辐射问题：星舰的辐射防护没法做得很好。现在的估计是，全程参与每个人的癌症风险增加5%，就是原来如果是30%的可能性得癌症，他们的可能性是35%。

心理问题：长期与世隔绝，幽闭，高风险，不确定，没有保障，各种不适应，没有隐私，……。

结论

火星殖民看起来不是那么难，把人送过去，过两年再接回来，原则上是能办到的，但仍然存在严峻的挑战。马斯克的计划应该也不会鲁莽执行。首先，他们会验证星舰的可靠性，先进行一些测试发射，并绕月飞行。其次，2024年无人飞行计划可以验证大量技术，如果出现重大问题，2026年不应该会送人过去，而是继续验证。我上面做的计算，及提的问题，他们应该也会想到，并找到解决办法，或者，勇敢前行。

我个人非常希望看到该计划成功实施，这样人类进入太空的步伐会大大加快。但我还是认为，把登陆和殖民计划改到月球上更好，所有问题都更容易解决。我们并不需要把太空文明变得跟地球一样。太空就是太空，月球就是月球，火星就是火星。每个星球可以有自己独立的开发模式，智慧文明存在模式。先开发月球，提高太空开发能力，资源控制能力，能源利用能力，再建造一些适合人类生物圈的环境就容易多了。

哪怕就是把火星开发成地球，月球充分开发之后，我们可以利用在月球获得的材料，在火星一号拉格朗日点L1放一个大磁铁阻挡太阳风，L2点放一个大镜子，直接将火星地表温度提高到适宜地球生物生存。月球电解产生的大量氧气送往火星，再用微生物和植物改造火星大气，直接把火星改造成一个小号陆地地球。

挺进月球

火星情节与月球情节

在我看来，西方人热衷于登陆火星，来自与他们心里的火星情节，而不是科学结论。几百年里，在西方的通俗科普文化，和科幻作品中，火星是另一个文明世界，或者潜在威胁。奇怪的是，很多古代文明，都把火星和战争，火，联系起来，包括古罗马，希腊，巴比伦，中国。

登录火星的另一个情节，或者说思维惯性，来自于人类对地球蓝天白云，河川森林，等自然环境的依恋。其实人类，或者说智慧文明，有更强的适应性。人类当年从树林搬进山洞，从田园搬进钢筋丛林，同样有心理依恋的问题，觉得城市生活不习惯。

月球在中国古代叫太阴，重要性仅次于，或者等于太阳。阴阳的说法中，“阴”还在前面。

如果有更高层次的文明，月球就是专门为人类准备的，呵护人类，和帮助人类提升到下一级文明的阶梯。月球对地球生命的诞生和演化非常重要，它稳定了地轴的变化，让地球气候变化不至于太剧烈。它引起部分地壳运动，帮助地球化学元素循环，维持地球生态圈体量。它引起潮汐，便于早期生物登陆，并提供中间环境，便于生物走向陆地。因为潮汐等原因，滨海地区仍然是生物最繁盛，生物多样性最大的地区之一。

古代中国神话中，月球也是唯一有凡人上去，并有人间生活气息的地方。所以，无论从心理情节，还是科学结论出发，我们都应该先上月球。

太空阶梯

月球是人类进入太空时代的矿场，资源库，材料库。我们开发月球，虽然可以开展部分旅游，科研，生活空间，但是主要目的并不是为了在月球上面生活，而是充分利用这一上一层文明，或者说，造物主，恩赐给人类的太空阶梯，舒适而优雅地跨入太空时代。

太阳系的较小行星和大卫星的实际大小比较(Our Planet)。下排从左到右分别是：地球，金星，火星，木卫三，土卫六，水星，木卫四，木卫一，月球，木卫二，海卫一，冥王星

月球的大小最合适开采，重力不大不小，大了耗费能量。小了难以固定，还容易产生大量太空垃圾。如此大小的天体在太阳系只有六个，其中木星占了四个，土星一个。按说地球不够格分到一个，因为相对地球的大小，月球太大了。四个类地行星中，只有地球有一个大卫星，火星的卫星大小可以忽略，水星和金星没有卫星。

太空的建设需要大量材料，主要是各类金属，如铝，铁，钛等，在月球上最丰富。硅也很重要，因为太阳能，电子电气仪器设备，玻璃，都需要大量的硅。月球正好由这些材料构成，其中最多的是硅。在太阳系所有的大卫星中，只有月球的元素构成合适，其它大卫星主要由轻元素，即碳、氢、氧、氮等构成，至少卫星外层如此，而内层很难开采。轻元素是构成生命的主要元素，循环利用，不一定需要很大量。

月球上面的环境也特别适合采矿和冶炼，但采矿和冶炼方式将不同于地球上。月球的有利因素包括：

高真空。因此，没有空气带来的氧化，对流散热，杂质等问题，便于高温冶炼时的温度维持和高品质产品取出。

没有地质运动。没有地球上的岩石产生过程，没有大块岩石，不需要爆破，采矿容易。岩石成分相对一致，元素构成相差不大，一般不需要专门找矿。元素构成有区域差别，可以根据需要采矿。

没有水。或者说水很少。如果需要水，可以找到。少量水不影响采矿和冶炼。特别是需要在地下施工和采矿时，没有水可以避免大量问题，如塌方，渗水等。因此也便于挖很深的矿井，开采重元素更多的深层月岩(壤)。

低重力。低重力极大节省施工和运输的能量，也便于深挖洞穴，用于建设地下设施，或者采矿。采矿后产生的废气可以直接排放到月表，然后被太阳风刮到太空，不会影响月面环境。也可以采集后利用。由于主要冶炼方式是电解，产生的废气主要是氧气。氧气可以收集利用。

大温差，可以很容易产生高温和低温，便于冶炼，也便于在低温中液化保存氧气。高温可以直接聚焦太阳光产生，而所有太阳阴影部分都是很低的温度。

容易入轨。月球的环绕速度只有1.6公里每秒，非常容易入轨，进入太空。因为没有空气，可以建很低飞行的轨道站，用一个旋转的钩子（天机索）就可以把东西直接从月球表面拉入太空，或者从太空放到月球表面。也可以用一个固定在月面上天机索直接把货物甩入轨道。这意味着轨道发射几乎是零成本，与地球上同类操作是天壤之别。实际上，结合其它转运技术，从月球到太阳系任何其它目的地的运输都可以达到极低成本。人们根本不需要操心太阳系的运输问题。

能量供应充足。同样发电能力的太阳能板，发电能力是地球表面的三倍，如果在无昼夜轨道上或者永昼点附近，可以全天候不间断发电，达到地球表面发电能力的六倍以上。由于低重力和真空，发电装置和聚光集热装置可以建得很高，大大提高能量利用量。月球自转很慢，重力小，行动耗能少，采矿站和冶炼厂可以一直跟随月球运动，不需要有夜晚。

采矿

和在地球上采矿不同。地球上的矿产一般经过地质，生物，水流等原因富集。需要勘探，找到相对富集的矿产资源。构成地壳的主要成分，土壤和岩石，一般不算矿产，也没有多少价值。月球不存在上述矿产分类富集过程，但月球表面的土壤是清一色的金属和硅氧化物。从元素的丰度来看，跟在地壳中不同，除了氧之外，最多的元素是硅，其次是铝，钙，铁，镁，钛，等。

由于数据缺乏，月球上其它较少元素的丰度数据不完善。但是可以参考太阳系中的元素丰度判断。月球上，包括水星，金星这样的靠近太阳的天体缺乏轻元素，即氢，氦，氮，碳等，所以其它重元素更富集。大致可以根据以下太阳系元素丰度，对照硅的丰度，判断各元素在月球土壤中的占比会是多少。可以注意到，在地壳上非常贫乏的贵金属，如铱，锇，钌，铂，金，等，在太阳系，或者说月球上，并不稀少。硅在月球表面，占20%左右，铱，锇，铂的原子丰度大约是硅的百万分之一，质量丰度就是百万分之一（1ppm）左右，是地壳上丰度的数千到数万倍。

铱，锇，钌等金属不仅贵重，关键是它们具有优越的物理化学性能。它们都特别稳定，是很好的催化剂，特别耐磨，熔点很高，铱和锇是密度最高的金属，也是最好的高温电解阳极材料。锇的反光率极高，特别是对紫外光。这些都是太空冶炼非常需要的性质。

太阳系元素原子丰度。数据来源：DOI: 10.1007/978-3-642-10352-0_8 arXiv

月球土壤，包括岩质或金属质流星，小行星等，可以看成是上图中各种元素的氧化物（因为氧是唯一的大量氧化性元素，而氧化物都很稳定），加部分贵重不活泼金属的混合物。它们本身就是良好的通用矿产。所以月球上的采矿，就是直接挖取月球土壤。当然也会有少量陨铁，主要由铁镍等金属构成，不需要冶炼，但仍然需要提纯。换句话说，整个月球就是一块巨大的通用矿石，可以直接冶炼。

冶炼

月球是整体的通用矿藏，冶炼也是标准通用冶炼工艺。对月壤，除了直接利用，包括融化成砖，或者直接硬化成路面，以及地下结构的穹顶，拉丝做成玄武岩纤维，等之外，就是高温熔融电解（Molten Regolith Electrolysis, MRE），提取其中的各种金属和硅元素。如果有很好的资源回收手段，化学还原冶炼也是可以的，但是需要更复杂的工业配套。

月壤融化并不难，一般金属氧化物的熔点在两千摄氏度上下（二氧化硅1713°C，氧化铝2072°C，二氧化钛1843°C，氧化铁1377°C，氧化钙2613°C，氧化镁2852°C）。把月壤装进大的石墨坩埚，或者锇制坩埚，用聚光板加热，就可以达到需要的温度。不同氧化物的熔点不同，可以用来分选不同金属。分选会大大简化电解冶炼过程。当然，讨厌的是它们可能会熔融成玻璃态，无法分选。

由于月球重力小，仅用石墨（3642°C升华）就可以制作很大的坩埚。月球上没有石墨，所以开始要作为最初的设备运上去，以后可以用铱（2446 °C），锇（熔点3033°C）等贵金属。

月壤融化之后，首先不活泼，熔点高，密度又大的贵金属会自然沉积在底部，不同的氧化物如果不互溶，也会按密度分层。

月壤常见的氧化物中，氧化钙和氧化镁利用价值不高，熔点高，容易当成废渣排除。硅，铝，铁，钛，是太空开发的大宗原料，熔点较低，便于熔融电解。与在地球上电解相比，2000°C左右的温度极高，电解阳极材料是个大问题，可以用锇，铱，钌等月球本地比较丰富的贵金属。

月球平原（左）和高地（右）月壤随温度变化的高温电解金属产生量。(S. S. Schreiner，2015，MIT)

电解得到的副产品是氧气。我们希望保持月球的真空环境。开始的时候，氧气可以直接排放，并不需要担心它们会在月球表面聚集，因为月球的引力不足以约束气态的气体。需要的话，也可以收集利用。电解冶炼规模很大以后，必须收集冷却。到了那个时候，已经有了太阳系高效货物转运系统，到火星的运输成本极低，大量氧气可以送到火星，将火星改造成下一个地球。

虽然所有的月壤都是矿藏，我们仍然希望找到各种某些元素富集的区域，有针对地开采冶炼一些金属。这就需要大量钻孔勘探。月球上的钻孔勘探可以用激光实现。由于没有地下水等不利因素，激光在月球表面钻孔很容易，也可以钻得很深。然后从光谱或者γ光谱得到各种元素丰度。由于各种元素的含量都不是非常低，因而容易定量测量。勘探车可以对月球表面进行大规模普查，找到各种特殊的资源。

由于上面说到的那些原因，月球表面的采矿和冶炼效率高，成本低，无污染。再辅以相应的设备制造工厂，月球采矿，冶炼，加工，很容易形成很大的规模。为下一步太空开发源源不断地提供大量原材料和基础设备。

最佳立足点——永昼点

月球自转轴倾角只有1.5°，在两极没有地球两极的极昼极夜现象，而在两极附近比较高的一些位置，可以长期得到太阳光照射，也就是没有昼夜。这种位置叫做永昼点。

永昼点对于最初的月球空间站，无论任何用途，都是非常重要的。因为月球的夜很长，有14天。没有能源的情况下，过14天很困难。当然最好总有阳光。

现在还不确定月球上是否存在自然的永昼点，但是有几个位置一年80%以上的时间都能看到太阳。如果可以稍微移动一下位置，或者在几个点建太阳能发电站，那么可以保证持久的电力供应。也可以建高一点的人工装置，因为月球重力小，没有风雨。

同样的原因，建一个移动的采矿站和冶炼厂也不困难。月球自转慢，赤道自转速度16公里每小时，到高纬度就非常小了。这样的话，采矿和冶炼都可以跟着太阳移动，就不用考虑永昼点的问题了。当然，在基础设施还没有建好的情况下，极地附近仍然是优选位置，因为需要移动的速度小。还有一个原因，即极地温度低，阳光不直射。很多位置低的地方常年没有阳光，温度极低，能保存水冰。即使我们的采矿和冶炼都不需要水，水仍然是月球上最宝贵的资源。我们总要建殖民点，旅游设施，驻人空间站之类的。

所以，最初的月球空间站应该建在月球两极，优选北极。

马斯克的火星项目计划2024年首飞火星，如果发现困难较大，有可能改到月球上。他为火星计划准备的那些太阳能板，部署在月球上，就是一个很大的太阳能发电站了，是国际空间站发电能力的约200倍。计划到火星的运输能力，用来运输到月球，由于可以连续往返，可以轻松达到一年上万吨。国际空间站总共才四百多吨，20多年工作良好。一年上万吨的物资运输能力，足以建设冶炼厂和大量驻人服务设施了。

月球大开发

从筚路蓝缕到发达繁荣

人类最初的探月，从制订目标到实际登月，只花了不到十年。转眼已经过去了五十多年，后来的发展似乎并不如意。现在二十一世纪已经过去20年，我们现在并没有像当时很多人憧憬的那样，可以上月球休闲度假。

当年花费了大量人力物力，创造了人类奇迹。但是，除了部分技术，还没有为人类的生存和繁荣带来巨大变化。

在农业革命后的一万多年里，人类彻底改变了地球，成为地球的主宰。我们改变了地球的地貌，砍伐森林，将平原转变为耕地，农场，在河流入海口建立了巨大的城市，将地面硬化，让动植物无法生长。工业化以来，地球大气成分发生巨大变化，气候极端化加剧，全球变暖，海平面上升，大量生物物种消失。但巨大的变化主要发生在后面的200年，甚至50年。

人类，乃至几乎所有生命发展过程，开始都是指数增长的。但开始的确困难重重，发展非常缓慢。地球诞生不久，就有了水，已经适合生命发展。但原始单细胞生命的出现花了数亿年。生命出现之后，到得到光合作用的能力，也就是生命可以依靠阳光自己供养自己，又花了约五亿年。光合作用出现，到大气主要由二氧化碳和氮组成，变成主要由氧和氮组成，再又花了十几亿年。大气氧化给当时的生命带来灭顶之灾。在此之后，才有真核生物和多细胞生物的出现。再过了十几亿年，才出现有性繁殖。到了七八亿年前，才出现原始的植物和动物。五亿多年前，寒武纪生命大爆发，地球才变成一个生物演化主导的星球。

地球生命加速发展史（维基百科）

人类的社会发展过程也是一样的。约500万年前，最初的人类出现，约50万年前，人类开始用火。20万年前，现代智人出现，花了十几万年慢慢扩展到地球的每一个角落。农业只有一万多年的历史，工业化只有两三百年，信息化只有四五十年。

人类航海有上万年历史了，区域性海洋贸易至少几千年，大航海发生在500年前，近百年来，海运才成为全体人类社会生活的重要组成部分。中国长江下游的运河网，五六千年前就开始建设了，它打下了江南几千年经济繁荣，文化发达的基础。还有都江堰，大运河，驰道，这些基本建设项目，当时是很大的工程，但是造福几千年。

再比如中国的西部大开发，以西藏为例。当年，文成公主进藏走了三年。即使进入二十世纪，从拉萨到北京的最便捷路线是绕道印度。后来川藏公路开通代价巨大，还难以维持交通。后来慢慢有了青藏公路，青藏铁路，多条航线，现在西藏主要城市已经和内地差不多了。

月球开发必然也是这样的过程。开始的时候总是最困难的。

月球探索几乎停滞了五十多年。但现在形势正在发生变化。已经有多国的多个探月项目，都计划近期在月球建立基地。其中的很大一部分是商业项目。这些计划近期的目标看起来也都还很保守，除了马斯克的火星项目。

2021年计划的月球项目就有9个，国家包括美国，英国，俄罗斯，德国，墨西哥，发射火箭6种。2025年前计划探月或者登月的国家还有中国，日本，印度，南朝鲜，澳大利亚，土耳其，加拿大，阿联酋等。2025年前计划的载人访月或登月计划有4次。2030年前，将有4个国家载人登月，包括中国，日本，美国，俄罗斯。那么多国家的介入，说明月球开发已经进入人类发展的视野。

美国航空航天局的移动月面站概念。月面站可以在月面自由行走，供4位航天员连续工作两周（NASA，1990）。

根据已有的计划，可以期望，2030年前后，月球上应该出现几个科研月面站。月面站的重点研究内容之一，就是月球本地的采矿，冶炼，和工业化。

2030年以后的5到10年内，月球本地采矿，冶炼，能源等工业可以渐成规模。

种子工业园到月球工业化

受限于地球到太空发射的运力，月球工业化主要靠本地物资积累。主要工业门类包括能源（发电与集热），采矿，冶炼，加工成型。太阳能初期设备要运输过去。这是最初的大宗运输物资。月球上太阳能板的发电功率比地球上高，因为没有大气对光的吸收。作为工业化的初始发电厂，5000千瓦发电能力是一个可以接受的规模。考虑到针对月球工况的一些优化，5000千瓦的太阳能电站大约需要1000吨组件设备。

基于历史数据，火箭发射到月球的运价大约是5万美元每公斤，或更高。1000吨的运输成本就会达到500亿美元。SpaceX公司声称基于可回收重型Falcon火箭的发射成本可以降到十分之一，而基于星舰的发射成本还要再低一个量级。如果考虑开始的采矿冶炼和发电厂共2000吨，那么现有发射能力规模化后的成本是1000亿美元，可重复使用技术成本成熟后可以降低到100亿美元，这应该已经是一个可以接受的数字。如果以后成本再大幅下降，当然自由度更大，可以运送更多的设备上去。现在已经有多家商业公司竞争太空旅游项目，发射成本应该有很强的下降动力。

假定2000吨，100亿美元是采矿，冶炼，加工一整套种子工厂的门槛，我们可以大致估计一下种子工厂的产能，从而估算本地生产能力倍增的时间。

假定种子工厂建在两级的永昼点，或者日照最长点附近，日照时间为83%(为了计算方便)，那么5000千瓦的太阳能电厂每天可发电10万度（当然远远超过在地球上的发电能力）。加热不用电，而是另外汇聚太阳光，所以发电可以大部分用来电解高温月岩浆。

现在还没有实际数据，但是可以参考地球上的其它电解过程估计电解生产硅和铁铝钛等金属的产量。开始的时候，熔岩温度不容易很高，较低温度下（低于2000℃）下电解出硅和铁。铁可以更低温度得到，从而分开铁和硅的电解。铁大约5000度电生产一吨，硅约20000度电一吨。考虑到各自的丰度，作为粗略估算，10万度电大约可以生产2吨铁，4吨硅。注意铁不是钢，强度很差，比较软，可以作为导线使用。在月球的真空低重力环境下，铁和硅就足够生产新的太阳能板了，并不需要玻璃保护硅表面。辅助材料可以用融化月岩后生产的砖或者纤维。对于太阳能板，限制性材料是硅。4吨硅大约可以生产400平米太阳能板，发电能力约为100千瓦。这样只需要50天，就可以倍增发电能力，同时倍增金属产量。在这种倍增速度下，几年内就可以在月球表面铺满太阳能板。当然，到一定规模后，限制条件会变为地球上运送到月球的其它装备，比如石墨坩埚，阳极材料，机器人，加工设备，等等。

我们可以期望，考虑到各种技术的发展，一旦种子工业园建成，十年内，月球上的采矿冶炼加工中心可以大规模发展。基础工业生产能力，即大宗材料生产能力，或者用另一个指标，发电量，将超过地球。这将是人类跨入太空的另一个里程碑，人类的太空工业能力超过地球上的工业能力。

考虑到目前各国的计划，2030年建设第一个种子工业园是可行的，那么2040年，人类在地球外的发电量就可以超过地球，并形成巨大的太空工业能力。

月球工业化之后，意味着太空时代正式开启。可以很快实现：

近期太空工程

地球环境保护

全球变暖是目前人类面临最严峻的挑战，人类不得不团结起来共同应对。单靠减少排放，能源转型，以遏制全球变暖的趋势非常困难。因为，很多科学家认为，大气中现存的二氧化碳和其它温室气体，已经让全球变暖的趋势无法逆转。虽然也提出了一些措施，可能缓解这一趋势，但是任何在地球上大规模实施的工程或者生态方案，都将面临重重困难，以及技术的巨大的不确定性。

如果在太空直接调节地球的日照，既可以立竿见影地影响地球气候，还可以优化控制区域环境，一劳永逸地解决地球影响了地球几十亿年的大尺度环境变化问题，比如冰期问题。我们非常幸运，这次所处的间冰期是最近几十万年内最长的，否则人类现代科技文明的发展还要过几万年，到下一次间冰期才可能实现。现在地球上的人口规模巨大，无法承受下一次冰期近期到来。因此，我们既需要防止全球变暖，也需要防止冰期降临。而布置在太空的阳光调节系统可以永久地解决这一问题。即使几亿年之后，太阳光度较大幅度增加了，也可以继续维持地球气候。

地球光照调节系统需要大量材料，至少数百亿吨。这些材料只有月球可以方便提供。

光照调节系统还可以改变城市区域的季节性萧条问题。高纬度地区冬季寒冷，漫长，日照极短，为了维持地球的自然环境，可以针对部分大城市解决冬季不便的问题。

太阳风暴避灾

超级太阳风暴是指太阳在太阳黑子活动的高峰时产生耀斑爆发，周期是11年。这种爆发大小不一，大约每500年会有一次很强烈的爆发袭击地球。

在1859年9月1日和2日，发生了有纪录以来最大的太阳风暴，全球各地都能看到极光。落矶山金矿的矿工被明亮的极光惊醒，以为天亮了，起来准备早餐。当时的越洋电报系统在巨大的磁暴冲击下失效，电报塔架火花四溅，电报机自发起火，发报员被电击。已经切断电源电报机也能继续收发电报。

这种强度的太阳风暴将严重影响地球的电力和通讯系统，后果难以预料，有可能造成全球性的停电和信息中断。所以，必须提前预防。

有效的措施就是在太空建立巨大的人工磁场，或者电场。地球的一号拉格朗日点可以建一个巨大的殖民点，可以同时承担控制地球日照，和保护地球不受太阳风暴影响的任务。

开发火星

用来保护地球环境的方案也可以用来改造火星。因为有了来自月球的巨量物资，火星的大气维持（磁场）和温度提升（光照倍增）都成为可能。因而可以根据我们的地球情节，将火星改造为升级版的地球。改造后的火星既有合适的温度，舒适的大气，还有各种壮观的景色（巨大的峡谷，高耸入云的山峰，白天真实的太阳，夜间柔美的太阳），重力不太大，可以节约能源和材料，人类的运动能力也变得很强，不但奔跑跳跃能力强大，还可以装上假翅膀靠肌肉力量就可以飞行。

如果地球拉格朗日点的居民点，兼磁场保护，兼阳光调节，加火星的磁场保护，反光升温需要数万亿吨的材料，就会相应电解产生数万亿吨氧，这些氧送到火星上，直接将火星大气的氧含量提高到与地球接近。如果要将火星大气总量提高到一个大气压左右，还需要更多的氮气和氧气，所以改造火星仍然是一个长期的工程。但月球工业化之后，火星的改造才会成为可能。

电磁轨道发射

相对月球，地球入轨需要的速度非常大，所以地球发射成本非常高。而月球只需要1.6公里每秒就可以入轨。月球本地缺乏水和其它轻元素，无法生产火箭大量发射需要的燃料。但是它的真空环境适合电磁轨道发射。月球表面可以建造数百公里长的轨道，一次发射入轨或者到别的星球。

天机索

天机索就是用一根绳子拉住飞船，用地面动力转动绳索和飞船，直到飞船达到一定速度，松开飞船，将飞船发射入轨。天机索与电磁轨道相比，需要的材料和建设量远低于电磁轨道。电磁轨道对轨道的准直性，承重能力都有很高的要求，驱动能量分散。天机索只要求绳子结实，有几十公里的开阔空间，驱动能力集中。天机索的发射方向有更灵活的选择，不像电磁轨道只能靠星球的旋转改变方向。月球的真空环境，巨大的质量，较小的入轨速度，为天机索建造创造了很好的条件。可以很容易提供从入轨到星际运输的各种发射服务。

开发太阳系

维持地球环境，改造火星的方案，同样可以改造金星。金星改造是比火星更长远的过程。即使把照射到金星的阳光全部遮蔽掉，金星也需要数百万年才能冷却下来。金星需要先冷却，否则很难在上面施工。

水星不一样，它可以跟月球一样，全部当成矿产。水星比月球的重金属更多，太阳能密度也高好几倍，所以是月球之后人类的下一个宝藏地。

小行星带以内，足够人类开发数千至数百万年。之后就是外行星开发。至少要等到聚变技术成熟，外行星开发才会成为可能。之前只能是探测。

从基建狂魔到天建狂魔

考虑到各国目前的月球探索计划，可以预计2030年前后，能建成首座月球工业中心，然后在2040年到2050年前后，月球上的太空工业能力超过地球，也许再过10到20年，十倍百倍于地球也可以很快达到（月球接受的太阳能是目前地球人类全部初级能源总功率的700倍），即2060年前后。

相对于地球上几百年的工业发展步伐，这样的发展速度已经相当令人振奋，但考虑到技术发展的加速性质，其实也可以更快。

如果马斯克的星舰项目能够按期达到设想的规模，月球的商业开发可以很快。即使继续执行火星计划，但部分运力用于开发月球，也可以大大加快月球开发步伐。

美国的月亮女神项目（Artemis）计划2024年将航天员送上月球，俄罗斯2025年也将送航天员环绕月球。还有多国在2025年前有多个探测，或者取样返回项目，包括中国嫦娥6号7号。

但是目前还没有正在执行的月球采矿冶炼计划。即使在月球上建空间站，目前的计划也还不清晰。原因当然包括需要前期项目成功实施的铺垫，完善发射回收技术，以及更多的月面经验等。

相对月球计划的按部就班，马斯克的火星计划就激进多了。如果他的计划能够在2030年前达到可以实施的能力，就可以在月球建立基地和工厂。

中国如果希望在太空开发中取得优势，显然需要将基建狂魔的称号拓展到太空，成为天建狂魔。加紧开发大推力火箭，实现月球南极着陆。形成运力之后，哪怕没有想好下一步干什么，可以利用空余实验运力，把大量太空太阳能板运上去再说，反正以后用得上。

10年时间，自主机器人应该比较成熟了，可以承担大部分工作。地月通讯时延只有数秒，人工干预也比较方便。上人其实没有那么重要。机器人上去把什么都弄好了，建立一个月面太空站，慢慢上人也可以。

月球工业基地，需要大量基础设备和物资。电力不可或缺，发电能力越大越好。然后是通用机器人和冶炼设备。人开始其实干不了什么事情，还难伺候，过十天半月的还必须回来，至少开始的时候，是工业开发项目的负担。自主机器人加远程控制足够完成月面上的工作。以机器人为主的全部建设运行维护工作，可以提前在地球上训练好，人类操作员远程监控，通讯时延模拟也很容易。

中国整体太空经验和技术还是有差距，但是建冶炼厂这种具体目标并不难实现，不上人可以大大降低项目难度。关键是要形成运力，出现的问题可以在项目进行中解决。

开发月球不应该有地球上的思维惯性，即把月球当成房地产开发。月球就是一个大工厂，以后可以建部分旅馆，休闲设施，但是月球最主要的用途，是为人类迈向太空提供需要的物资。将月球当成房地产开发将严重影响长远的太空发展。如果非工业项目全面铺开，必然在月面形成大量的巨大结构，以后难以拆迁，影响月球的大规模工业化。

月球是最容易开采的天量矿藏，太空开发需要大量物资，地球无法提供，其它星球暂时太远。

开发房地产，或者说人居环境，应该在其它位置，比如火星，地球轨道，环太阳轨道（戴森球），各种拉格朗日点，等等。人居环境各种参数可以控制，月球并不能天然提供那些环境，比如大气，重力，水，等等。人造大型空间结构可以提供大气，不同的重力条件，人造生态圈等等，并不需要位于某个星球表面。当然人造空间结构也会有一定限制，比如空间不会太大，因为大气压对结构强度的要求很高。但即使在月球上，这些限制仍然存在。

可以相信，再过几十年，航天员登月和现在上轨道空间站一样频繁，各国会有多家月面站，从地球上用望远镜可以看到月球上星星点点的工厂。在月牙内，也可以看到闪光点，就像现在从太空看到夜间的地球一样。那时候，中秋元宵赏月的时候，也许人们会谈论自己或者自己的朋友去过月球，和月球上的亲友通话，等等。

星际高速公路之天机索

低效的化学火箭

化学火箭是目前人类进入太空的唯一途径。但化学火箭效率比较低，而且，航天器需要的速度增量（delta V, DV）越大，效率越低。这种低效性直接反应为发射费用高昂。现在已经是二十一世纪二十年代初，市面上大推力火箭到近地轨道(Low Earth Orbit, LEO，速度增量9.4公里每秒)的发射成本约为每公斤1万美元上下，而仅仅是到同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit, GEO，即远地点到达地球同步轨道，离地面3.6万公里高度）的速度增量（delta V, DV，或者叫速度变化）是2.44公里每秒，折合的每公斤发射价格已经要2到3万美元。到月球还需要3.5公里每秒的总速度变化，所以地月每公斤发射价格超过5万美元。

到目前为止，火箭一旦发射，燃料无法补充，所以任务需要的速度增量越大，需要携带的燃料就越多，安装的火箭发动机就越大，或者越多，总质量也越大。所以，随着速度增量的线性增长，火箭初始发射质量（正比于发射成本）指数增长。大概的定标关系是，速度增量每增加两公里每秒，每公斤发射成本增加一倍。

重型火箭平均到每公斤的发生成本要低一些，如果使用可重复、低维护火箭，应该还会大幅度降低发射成本。SpaceX公司的重型猎鹰9火箭，声称能将每公斤发射成本降低到现在的十分之一，也就是1千美元每公斤左右，星舰能再降低到十分之一，即1百美元每公斤。这些数据还需要在未来的实践中验证。

天机索

除了化学火箭，改变物体速度的办法有很多。古代牧羊人就会使用投石索，将石头扔到很远，控制羊群的移动。战争中也会用到大型抛石器，远程攻击敌人。

投石器的原理也可以用来进行太空发射，或者辅助改变航天器的速度。

天机索也叫天钩（skyhook），一种方案是利用地球周围的引力梯度，在空间站上往星球方向垂下一根很长的绳，这样，发射的航天器只要够到这根绳，就可以被空间站拉上去。这种概念叫静态天机索。由于绳的底端同样要围绕地球轨道运动，因此发射上来的航天器必须赶上底端的速度，天机索只能提供转移到高轨道的能量，因此绳子会非常长，整个结构占用巨大的轨道空间，难以实施。

另一种方案是用短一点的绳子，让绳子旋转起来，绳子转到最低点的时候，有一个反向的线速度，发射上来的航天器只需要达到空间站环绕速度减去这一速度就行。如果该速度达到两公里每秒，发射成本就会降低到二分之一。考虑到在顶端还可以获得另外两公里每秒的速度，所以对于转运加速，成本将降低到火箭的四分之一。对于大负载，这一成本下降还是很明显的。

如果旋转线速度更大，比如达到低轨道的环绕速度，发射只需要到达高度，而不需要横向速度，这样的发射成本将降低到五十分之一以下。这时绳子末端相对质心的旋转线速度应该达到7.4公里每秒（环绕速度减去地球自转速度）。如果绳子长度1000公里，勾住后，航天器受到的向心加速度为7400²/1000000=54.8米/秒²，即约5.5g（g是地面重力加速度，等于9.8米/秒²），是航天器可以接受的加速度。火箭加速可以达到10g。从工程实现的角度考虑，1000公里的绳子太长了，还要考虑对轨道的占用。100公里左右长度的绳子是可以接受的。如果限制加速度不超过10g，那么100公里提供的速度增量不能超过3.2公里每秒，转运最大速度增量为6.4公里每秒，降低成本到十分之一左右。

对于货运，加速度的要求可以放宽。这样，或者绳子可以短一点，或者提供更大的速度增量。

天机索有一个问题，绳子挂住航天器以后，需要消耗自身的势能提升航天器的速度，还有额外的角动量需要处理。处理的办法是让天机索机构具有较大的质量，这样提升航天器速度时才不会把天机索拖下去。这给天机索的初始建设提出了很高的要求，除了收放绳，姿态控制，还要能较快补充能量和调节角动量。能量体现为整个机构质心环绕轨道的高度，和旋转的动能。如果消耗了，就需要补充。机构上仍然需要火箭，等离子引擎，光帆之类的设施，用于补偿转运时的能量消耗或不必要的增加。

天机索最佳的使用方案是双向转运，比如把地球上发射的航天器加速送上去月球的轨道，然后接住从月球上发射到地球的飞船，降速并获取相应的能量。如果双向转运是平衡的，天机索不需要补充能量。大致平衡也没有问题，利用天机索本身的大质量储备，允许轨道高度在一定范围内变化。如果不平衡，则需要额外的动力补偿。

月球上没有大气，轨道可以很低。轨道上的天机索可以实现从月面勾取发射，和接受外星球发射到月球的货物，降速后直接放置在月面上。

地面天机索

没有大气的星球，可以在星球表面设置固定的天机索。由于星球质量巨大，不需要考虑收发航天器带来的能量盈亏和轨道变化问题。

由于星球表面有重力，而天机索尺度巨大，只能水平设置，所以，受重力影响，旋转的天机索不是平面，而是锥面，所以中心支点要高一些。对于月球，重力约1/6g，旋转产生的末端加速度10g上下，所以锥角已经接近90°，也就是几乎水平，因此中心支点并不需要很高。月球的半径为1740公里，对于上百公里长的天机索，月表弧度已经能保证月面低于旋转锥面了。

月球的逃逸速度为2.38公里每秒，如果以10g作为最大设计加速度，那么天机索的长度不到60公里。

月面天机索和轨道天机索相比，在发射方向上有更多的选择。

天机索材料

假定航天器质量10吨，最大设计加速度10g，那么天机索末端受力为100吨（采用习惯的简化和单位）。

目前市场上已经有的，抗拉能力最强的纤维是碳纤维(Toray T1100G)，抗拉强度为7000兆帕，密度为每立方厘米1.8克。7000兆帕等于每平方厘米拉力负载70吨。截面积1.5平方厘米就可以承受100吨的载荷。当然工程上需要一定的裕量，比如增加50%到2.25平方厘米。乘以密度，每厘米的质量是4克，一米400克，100公里40吨。

至少在早期，碳纤维必须在地球上制造，不是很方便，虽然几十到几百吨的制造和发射问题也不大。但最好还是能利用月球本地材料制造。幸运的是，抗拉强度是材料最容易达到的高强度指标。月壤，也就是玄武岩粉末，融化后拉成细丝，就有很高的抗拉强度。地球上利用玄武岩制成的玄武岩纤维抗拉强度为4840兆帕，接近最强碳纤维的70%，密度也略微高一些，比T1100G高50%，为每立方厘米2.7克。这样，在有较大裕度的情况下，即使考虑天机索本身的质量和张力要求，对于10吨10g的设计基准，玄武岩天机索每米1公斤，每公里1吨，100公里100吨，仍然是一个让人感觉舒适的数字，很容易实现。融化后喷成细丝，也是非常容易的工业生产手段，工艺简单。编织困难一些，需要能在真空中长期工作的编织机。但是不一定需要编织，直接捆扎也可以达到要求。如果最初的材料用地球上的碳纤维，运输能力大幅提高之后，上去编织设备也不困难。一旦形成玄武岩纤维绳的生产能力，很容易制造重型天机索，从而大幅提高星际空间物资运输能力。

免费星际高速公路

对于地月运输，可以方便地在近地轨道，近月轨道设置两座天机索太空站，就可以完成地月间的双向运输。唯一需要火箭帮助的是从地面到地球近地轨道高度和不到5公里每秒的横向速度。这样，从月球到地球运输几乎没有成本，因为降速可以通过地球大气实现，而地球到月球，因为天机索的作用，成本可以降低到原来的十分之一。

对于月火运输，同样因为火星可以利用大气降速，从月球到火星几乎没有成本，而火星到月球或者地球，因为火星低轨道的环绕速度低，火星的逃逸速度也低，只有5公里每秒，大气稀薄，货物或者航天器只要达到100公里高度左右，就可以被天机索转运回地球。发射成本应该降低到百分之一左右。

对于地面上的人类和经济活动来说，月球上的工业和天机索系统建立之后，月球到其它星球的运输是不需要成本的，因为额外的能量由本地提供，材料也由本地提供。人类只需要设计，监控，发射部分物资，如芯片、机器人、月球上不能生产的材料和设备等上去，耗费地球上的人力物力很少，就可以坐收月球工业化之利，从容开发太阳系。

其它用途

天机索虽然简单，在太空开发中却有非常重要的作用。太空发射这种地球上最困难的任务，有了天机索系统后，就不存在了。

除了太空发射和转运，天机索还有其它的用途，比如在太空产生模拟重力。人类习惯的地球上的一个重力加速度并不小。采用桶形旋转的话，如果旋转不那么快，就需要很大的直径，而大直径空间难以维持人类习惯的大气压。人类在地球上生活了几百万年，在部分人类进化成太空物种之前，重力对人的健康还是很重要的。

月球工业化之后，在太空开发的居民点，都需要解决模拟重力问题。人类很难伺候，有了离心力，转快了也不行。如果能看到附近不转的物体，比如星空，就会晕。假定一个小时转一圈，那么一个重力加速度需要的旋转半径是3000多公里。即使10分钟一圈，需要的绳子长度也接近100公里。所以，以后的太空居民点恐怕需要大量的玄武岩纤维绳。

地球上也可以使用天机索机构，虽然不能直接发射入轨，但是也会有一些用途。比如，现在的电动汽车正在蓬勃发展，人们相信，几十年内，石油工业将逐渐消亡。

电动飞机技术也在发展。受限于电池的能量密度，电动飞机的飞行距离很短。飞机飞行能量消耗最高的时候是起飞。天机索可以帮助电动飞机起飞，不消耗电池能量。正常飞机起飞速度是100米每秒。如果用天机索，1公里长的旋转半径产生的离心力是1g。可以适当提高起飞速度，比如200米每秒，用两公里的绳子，离心力是2g，对于民航，2g是可以接受的。这时起飞不但不消耗电池能量，还额外提供了多余的动能，让飞机直接飞到巡航高度，从而大大延长电动飞机的飞行距离。地球上有稠密的大气，飞机达到一定速度后，可以控制机翼产生升力，从而规避重力带来的锥形旋转面问题，因此不需要建成本高昂的高塔。因为绳子较短，可以收放，小半径起飞，随速度增大，放绳增加旋转半径，因此也不需要很大的地面机场。

大型火箭本身效率很低，风险也大。第一级要装几十个最大推力的火箭发动机，每秒喷射十几吨燃料。如果需要的速度增量下降，除了用小一点的火箭，还可以在第一级采用飞机冲压发动机，飞到一定高度和速度后，再用火箭提升到天机索位置。冲压发动机由于不携带氧气，而燃料，无论是氢，还是甲烷，能量密度都比氧高好几倍，所以效率高很多。冲压发动机的问题是它只能在高速条件下启动。天机索可以给冲压发动机提供需要的初始高速度。这种方案有望将发射的成本再降低到多级火箭的十分之一。

 

星际高速公路之太阳帆

太空开发最困难的是跨出第一步。如果我们能在太空建设完成一定量的基础设施，太空开发就会非常容易。太空基础设施主要包括运输，能源，采矿，工厂。其中运输是重中之重，开始最困难，以后却最容易。上一章我们讲了天机索。但是天机索也有一些问题。我们先讨论天机索的问题，然后介绍各种太阳帆方案。

天机索的问题

天机索需要精确对接，包括时间和空间。由于空间范围巨大，相对运动速度也能达到数公里每秒，所以精确对接有一定的挑战性。

天机索系统需要预先在各种转移轨道布置巨大的转运空间站，耗费大量物资。而且，在天机索建好之前，物资运输的成本非常高。所以天机索系统初始建设成本很高。

天机索的关键设备需要维护。其中绳索本身很长，比较脆弱，应当在每次使用之前检修。对于几十到上百公里长的绳索，检修一次需要较长的时间，

一般情况下，如果不能理想双向转运，天机索空间站每次需要为货物提供的额外能量和动量。这就需要另外耗费能量和工质，对空间站进行能量动量补偿。补偿仍然需要花费较大的成本。虽然能量和物资都可以在太空提供。但至少需要腾出补偿的时间，也需要较大的能源供应。由于天机索经常承受较大的加速度，对机械强度和稳定性的要求高，大面积太阳能板接入有困难，能量来源的问题需要想办法解决。

光帆

也叫做太阳帆（Solar Sail, Light Sail）。阳光照射在物体上，或者被反射，会给物体一个小的推力，叫光压，可以用来推进航天器。

在地球轨道附近，太阳光的强度为每平方米1360瓦，一块垂直于太阳光方向全反射的镜子，受到的光压是9微帕斯卡，也就是每平方米9微牛顿，一平方公里就是9牛顿。

在太空中，可以使用非常轻薄的反光材料，即光帆本身的质量可以很小，比如每平方米几克，那么一平方公里就是几吨。当然也不能太薄，太薄就对光透明了，也容易破裂。

假定1平方公里的太阳帆自重3吨，垂直于太阳光方向，光压是9牛顿，加速度3毫米每秒平方。如果加速一个月，以30天计，速度可以提高0.003*86400*30=7776米/秒。这是一个很大的速度增量。

当然，我们还要考虑支撑结构的重量，和携带货物的重量。如果加在一起是30吨，那么一个月的速度增量是778米每秒。考虑到星际运输的时间一般是几个月到几年，这样的速度增量已经非常可观了。我们也可以使用更大的光帆，从而大大节省星际运输的时间，或者运输更重的货物。

光帆受到的光压，与光帆与太阳距离的平方成反比。离太阳越远，太阳光越弱，光压越小，驱动也越小。但是一般加速的时间也越长，所以光帆仍然大有用武之地。

光帆提供的驱动只能远离太阳方向，看起来似乎只能用来探索地球以外的行星，比如火星，木星，土星等。但是，航天器往靠近太阳的方向运动，都需要减速才能被内行星俘获，太阳帆也能提供减速所需要的推力。也就是说，太阳帆既能帮助航天器远离太阳，也能帮助接近太阳。

这样的话，我们只需要把货物发射到太空中，货物在太阳系里的运输就不需要花费额外的能量了。我们可以建设基于太阳帆的免费行星际运输系统。古代人类航海的时候，主要利用风帆的动力长途远航。进入太空时代，我们又要用不同的帆，帮助我们驶向远方。

一种太阳帆概念图（Wiki）

光帆和货物被加速，行进到外气态行星附近的时候，还可以利用外气态行星附近的稀薄大气或等离子体减速，从而被外行星俘获，然后在行星附近盘旋，掉头，收拢光帆，等待返向运输任务。

光帆的问题有，面积巨大，很难维持刚性，也很脆弱。如果利用旋转张开，收拢会有一定困难。而机械机构会比较重，绳索难以控制。这些问题都可以解决，无非是多花费一些材料，减小一些载重。

电帆

英文名Electric sail、Electric solar wind sail，简称E-Sail。

太阳一直都在向外抛射高速粒子流，也就是太阳风。太阳风的速度从几百公里每秒到上千公里每秒不等。当然，我们也可以利用太阳风帮助航天器在行星之间运输。利用太阳风的帆叫电帆。因为它必须充电，才能跟太阳风里的高速离子发生相互作用，产生动量交换，从太阳风中获取动量，即推力。

在地球轨道附近，太阳风的推力强度，也就是太阳风压，只有光压的1‰左右。但是电帆并不需要做成帆的样子，占据全部的面积，而只需要很多根导电的细丝。细丝可以很长，从几十公里到上百公里。细丝充电以后可以影响几十米范围内的太阳风。充电的办法是，在导线的任何位置，一般是帆的中心，向太空深处发射电子束，剩下的导体部分自然带正电，电势增高。电帆需要电子加速器。

电帆概念图（Wiki）

细丝对太阳风的影响能力取决于太阳风的粒子密度，细丝所充电压，以及电子加速器的电流强度。究竟能接受到多少太阳风的动量，取决于实验结果，计算并不可靠。但是我们可以做一个简单估计。太阳风等离子体的德拜长度在10米量级，考虑到持续的电流可以造成细丝附近正电荷富集，我们假定细丝能够影响50米范围的太阳风，左右就是100米。10公里长的细丝，影响范围是1平方公里。要达到1平方公里太阳光帆的驱动能力，需要1000平方公里，也就是500根20公里长的细丝。500根细丝是无法控制的，一般应该几十根，也就是不到1牛顿的推力。

与光帆相比，电帆更容易部署，重量也更轻，但是需要能源，究竟能得到多大的推力还不清楚。

电帆与光帆相比，还有一点不同。光压平方反比于到太阳的距离，非常稳定，但是太阳风很不稳定，而且无法预测，因此无法精确计算航天器的运行轨迹。这会是一个比较大的问题，因为太空飞行对轨迹的计划必须非常精确。

电帆随距离太阳的的增大，效率并不会平方反比降低。因为太阳风并不是按距离和面积扩散的，而且等离子密度下降了，德拜长度会增加，也就是影响的范围会增加，从而部分弥补密度降低带来的驱动效率下降。

高压电帆

我们曾经提出一种高压电帆方案，结构紧凑，不需要很大的尺寸，但是需要较高的电压和较大流强的电子加速器。工作原理是，太阳风的密度很低，一旦把较强电流的电子发射出去，航天器周围会积累较多正电荷，从而形成一个较大范围的正电区，破坏电中性，对太阳风中离子的影响范围超过德拜半径的限制。我们的计算表明，最终在航天器周围会得到一个接近库伦势，而不是德拜势的电势分布，从而大大扩展对周围等离子体的影响范围。为了降低电压需求，也就是发射出去电子的能量，我们可以尽量增大导体部分的半径。具体做法跟电帆差不多，放出很少几根不长的导电细丝，比如1公里左右。这是因为库伦势距离电荷中心距离越大，电势越低。或者说，同样多的电荷，导体的半径越大，导体边缘，也就是导体全部的电势越底，发射电子需要的能量就越低。

由于并不是中性等离子问题，计算很复杂，既有长程相互作用，又有网格划分范围变化太大等问题，不容易计算出推力大小。但是仍然可以做出估算。因为太阳风粒子密度低，容易产生较大范围的宏观带电区，几十千瓦的输入能量能够影响上百公里以内的太阳风，也就是数万平方公里面积，从而产生几十牛顿的推力。高压电帆的尺度只有公里量级，不需要脆弱、难以操作的材料。

高压电帆效率高于电帆，容易控制，驱动力可调，只要位于等离子流中，有能源驱动电子加速器，就可以充分利用周围等离子体的动量。

高压电帆比电帆消耗更多的能量。如果能量来源有保证，可以得到很大的推力。高压电帆同样可以用来加速或者减速，取决于当时环境中等离子体的动量是否有利。既可以利用太阳风加速，也可以利用环境等离子体减速。特别的是，到木星附近的运输，如果快速运输，需要在木星附近制动。木星有强大的磁场，俘获了很多带电粒子，密度较高，相对木星动量为零，可以被高压电帆用来制动。

光电综合帆

太阳帆除了直接反射阳光，得到光压反推，还可以聚焦光能，在焦点处发电为电帆提供能源（即使光被太阳能板吸收了，也可以得到一半光压推力）。由于光帆面积很大，比如从1平方公里到上百平方公里，即使远离太阳，聚焦后，仍然可以得到相当可观的能量。随着离开太阳距离的增加，太阳光强度以平方反比下降。到小行星带，太阳光强度降低到地球轨道附近的十分之一左右，太阳能发电板的发电能力就很低了。到木星，太阳光强度降低到三十分至一左右，海王星附近，降到九百分之一。但如果使用一平方公里的光帆，即使在海王星轨道附近，仍然可以集中超过一兆瓦的阳光，可供发电数百千瓦，足以为高压电帆提供能源。

因此，光电综合帆可以工作的范围将远远超过单独的光帆和电帆。驱动范围从光帆和电帆的几个天文单位，拓展到接近太阳系边缘。

光帆，电帆，高压电帆，光电综合帆，统称为太阳帆。

太阳帆星际高速公路

由于太阳帆可以近日和远日双向运输，因此可以建立基于太阳帆的太阳系星际运输系统。

与天机索相比，太阳帆相当于船，装载货物共同航行，而天机索并不随货物飞行。太阳帆不需要部署物资消耗巨大的基础设施，能量来源于太阳，供应充足，可以搭载高效的离子引擎，辅助加速减速，控制飞行方向。

光帆和电帆原理验证都已经在轨实验过，但是还没有实用的系统。

高速星际航行

太阳帆的驱动没有工质，不消耗物质，不受火箭速度增量增加，成本（包括工质，能量）指数上升的限制，因而可以达到很高的航行速度。

由于天文距离一般都很大，高的航行速度对于加快太空探索和开发都非常重要。特别是小行星带以外的外太空。外太空不但距离遥远，由于一般要考虑被那里的天体俘获，因此只能以比较接近转移轨道速度的速度靠近。而离太阳越远，行星的轨道速度越小，航天器在那里的速度也必须小，所以要花很长的时间才能靠近。如果只是飞越，则可以有比较大的速度。飞越只能探测，不能停留开发。如果存在其它减速手段，也可以用比较高的速度飞向目的地，在目的地附近减速，然后被当地的星球引力俘获。电帆提供了一种接近时减速的选择。特别是对木星这样的目的地。

对于恒星际飞行，太阳帆的无工质驱动方式可以提供非常高的飞行速度，比如几百到几千公里每秒。太阳帆是目前常规技术中，唯一可以达到很高速度的驱动方式。

有了上千公里每秒的航行速度，恒星际旅行才有意义。比如到比邻星（人马座α）距离为4.3光年，三万公里每秒的速度，43年可以到达。虽然仍然是很长的时间，但已经可以尝试。即使只有300公里每秒，几千年总比现在技术需要的几万年更好。

对于太阳系边缘，从科伊伯带到奥特云，也就是100天文单位到数万天文单位距离处，靠弹弓效应速度不会超过20公里每秒。旅行者1号的速度（17公里每秒），差不多就是目前技术（化学火箭加弹弓效应）能达到的最高速度。这样的速度需要四十年才能走到太阳系边缘（100天文单位左右）。以后如果需要对太阳系边缘区进行普查，需要向各个方向发射比较多的探测器，而几十年时间的飞行时间太长了。

无法利用太阳的时候，还可以用人造光（激光）或粒子流远程推送。在距离太阳近的地方利用太阳能，产生巨大的激光或粒子束，以较小的发射角，推动很远处的太阳帆，拓展加速距离。

对于恒星际航行，太阳帆可以在太阳附近加速到很高速度，然后把帆收起来，以减少星际分子，等离子体的影响。到接近目的地的时候，再把帆打开，利用本地恒星光源，恒星风，和周围等离子降速。

电帆的加速能力取决于周围等离子的速度，速度极限就是周围等离子体的速度，比如太阳风的平均。那么，从太阳系出发，只利用太阳风，只能获得几百公里每秒的速度。如果有人造激光或离子束推送，可以更高。

但是，宇宙中存在天然的高速等离子射流，比如星系中心大型黑洞两极的高速射流，速度接近光速。在长远的星系际航行中，可以利用宇宙高速射流，将航天器的速度提高到接近光速，飞往别的星系。这是目前原理上可行，可操作，技术可行的唯一常规高速星际航行方案，能量消耗可以接受，可以加速和减速。其它的方案都是科幻。

这里是连写版。最后更新日期：2021年4月26日。

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