謝謝把我邀到這麽一個巨大的題目裏面來。
巨大的問題需要巨大的回答,所以這裏我準備詳細講述一下現在人類對太陽系內各處開發的設想。各位不妨倒一杯茶,聽我慢慢道來。
圖片來自Is the
Moon Really Stationary & Why We Can't See Darkside?
自亙古以來,月球就懸掛在夜空中,引起幾千年來人類無盡的遐思。當人類開始計劃離開地球搖籃,走向星辰大海的時候,家門口的月球當然就是我們的第一站。
1.1.
為什麽要開發月球
首先,人類開發太空的核心目的是把地球文明的火種灑向宇宙,並且在地球遭遇淪陷性打擊的時候,讓人類文明得以延續。所以,開發月球的一個重要目的就是建立月球殖民地。
開發月球最直接的好處就是資源。月球上有大量的氦3。氦3 可以作為核融合燃料,而且沒有放射線,是人類文明未來的完美能源。100噸氦3可以滿足目前人類一年的能源需求,而月球的氦3儲量估計為100萬噸,就是說足夠人類使用1萬年(按現在的需求)。氦3 產生於是太陽的核融合,隨著太陽風來到月球。在幾十億年的時間內,積累到了今天的豐富儲量。而地球的磁場擋住了危險的太陽風,同時也把大好資源拒之門外。此外,月球上的其他礦產,如鈦鐵礦,儲量也十分豐富。
最後,月球也是進行科學觀測和研究的理想地點。因為這裏沒有地球上大氣的幹擾,也沒有讓天文學家抓狂的天氣現象,在月球上架設的大型望遠鏡可以給我們清晰的宇宙影像。
1.2.
基地選址
月球的兩極是建立基地的黃金地段。月球的自轉軸和黃道面(所有行星的公轉平面)幾乎垂直,南北極圈半徑不到50公裏。即使在極晝時,陽光入射角仍然很小。這就導致一些低窪處(如某些隕石坑)中永遠照射不到陽光,而一些比較高的地方(如山脈)卻能有不分晝夜的永久光照。這兩種地形對基地都是非常有用的。永久蔭蔽的低窪地區可以找到珍貴的水冰;而永久光照的地區是鋪設太陽能面板的好地方。
在月球的兩極中,南極的條件優於北極。距離南極點僅116公裏的Shackleton隕石坑適合建立科研基地。隕石坑內的低溫有利於紅外線望遠鏡,同時它遮蔽地球無線電幹擾的特點有利於射電望遠鏡。隕石坑邊緣有很多高地能得到持續陽光,可以建立太陽能電站作為隕石坑基地的能源。
距離Shackleton隕石坑120公裏,是高達5000公尺的Malapert山。它的頂峰總是在地球的視野範圍內。在這裏架設通訊中繼站,既可以大面積覆蓋月球,也可以和地球聯系。附近的Shoemake以及其他隕石坑有很大的陰影區,很可能隱藏在儲量豐富的水冰。南極地區的Aitken盆地是月球上最大最古老的沖擊地貌,為月球研究開啟了一扇內部地層結構的視窗。
北極的Peary隕石坑也是一個理想的位置。這個隕石坑的部份邊緣有永久光照,所以溫度可以保持在零下50度左右,和地球上的極地溫度接近。這個隕石坑內部可能有水冰。
赤道地區的主要優點是有大量的氦3聚集。這是因為氦3來自太陽風,而赤道地區對太陽風傾角比較大。另外,從赤道發射飛船也相對容易。月球有緩慢的自轉,而赤道的自轉線速度最大。從這發射可以充分利用自轉提供的初速度。
月球的背面(遠離地球的一面)無法和地球直接通訊。如果在這裏建立基地,我們需要使用執行在地球和月球的L2拉格朗日點的中繼衛星。月球背面的主要優點是氦3儲量比較大。地球磁場幫助月球正面擋住了部份太陽風,而月球背面是完全暴露的,能夠收到更多隨風而來的氦3。此外,月球背面完全不受地球無線電幹擾,非常適合架設射電望遠鏡。
在環月軌域上建立基地也是一種選擇。在低軌域上,環繞月球一周只要兩小時,所以基地散失熱量的時間很短。而在L1和L2拉格朗日點上的基地總是能得到陽光,這就保證了穩定的能量供應。在太空中的基地需要以自轉的方式來產生人工重力。
1.3. 修建基地
月球基地需要應付月球上的嚴酷環境,解決很多問題。月球上沒有空氣,來自太空的微型隕石可以長驅直入,到達月球表面。沒有大氣層的另外一個後果就是晝夜溫差極大。 在345個小時的漫長白晝,溫度可以高達123攝氏度,而在354個小時的漫漫長夜,溫度可以降到零下153攝氏度。由於沒有磁場,月球沐浴在強烈的太陽和宇宙放射線中,這對人類是致命的傷害。
在月球上修建基地有很多方法,最簡單的就是直接把基地修建在月球表面。建築材料可以直接取自月球。月球土富含矽和鐵化合物,可以融成玻璃狀固體。這種月球玻璃有足夠的強度用於建築。為了達到保溫,防放射線和防微型隕石的目的,這樣的基地最後需要用月球土掩蓋起來。所以,希望看到下圖那樣充滿科幻風格的月球基地的同學恐怕要失望了。表面基地的一個理想地點是隕石坑。隕石坑的陰影地區可以幫助阻擋部份放射線和微型隕石。基地也可以采用人工磁場的方式來抵擋放射線。另外,月球表面的某些地區有比較強的局部磁場,也是建立表面基地的理想地點。
圖片來自NASA Moon Colony (page 2)
安全性更高的方法是把基地修建在地下。這樣的基地對溫差,放射線和微型隕石的防禦效果都不錯,但是同時也大大增加了施工難度。修建地下基地的步驟是這樣的。首先,用遙控的挖掘機在地下挖掘洞穴,然後加固洞穴以避免坍塌(可以使用加固礦坑的技術),在洞穴內壁鋪設一層隔熱材料,最後把可以自行封閉的居住單元放進去就大功告成了。
其實,月球已經給地下基地準備好了洞穴 - 熔巖管。在月球形成的早期,月球表面流淌著大量的熔巖。暴露在表面的熔巖很快冷卻變成堅硬的巖石,而內部的熔巖依然在慢慢流淌。在一些坡度較大的地方,巖石下面的熔巖可能全部流走了,剩下一個空空如也的管道。熔巖管在地球上並不少見,而在月球上也已經有熔巖管被發現。現存的熔巖管經歷了數十億年的時間考驗,十分堅固可靠。
圖片來自File:Thurston Lava Tube.jpg
1.4. 能源
太陽能面板可以提供月球基地所需的大部份能量。但是在漫長的黑夜,我們就需要別的能源了。透過氫氧反應把化學能轉化為電能的燃料電池是一個不錯的選擇。白天太陽能面板產生的多余電能用來電解水,產生氫氣和氧氣,夜晚用氫氣和氧氣驅動燃料電池發電。考慮到日食和其他緊急情況,即使在有永久光照的兩極部份地區,燃料電池也是不可或缺的。
此外,核子反應爐也是對太陽能面板和燃料電池的有效補充。
1.5.
運輸
在比較平坦的地形上,月球車可以作為最常用的交通工具。根據不同的用途,月球車有多種型號,比如小號的開放型到大型的密封加壓型。鐵路可以用在距離較遠的基地之間的交通。和傳統的鐵路比較,磁懸浮列車是比較有吸重力的。這是因為月球上沒有空氣阻力,磁懸浮列車可以達到地球上飛機的速度。
而在地形比價復雜的地區就只能使用載人飛行器了。
從月球表面到太空的運輸就代價就比較高了。一種節省燃料的新技術是電磁投射,這是一種不用火箭而是透過磁場加速的發射裝置。這種裝置的主要部件是大量沿著發射軌域排列的電磁鐵,依次開啟電磁鐵可以讓軌域上的物體持續加速。當物體離開軌域時, 其速度已經達到了逃逸速度,可以離開天體的重力場。
電磁投射器可以把貨物投射到地月之間的L1或L2拉格朗日點,然後再透過其他太空運輸工具(如太陽帆或離子火箭)把貨物運到地球或別的行星。
從月球到太空運輸的另一個方案是在月球表面和L1/L2之間建立太空電梯。
2.
開發火星
在地球的夜空中,明亮的火星顯示出淡淡的紅色,所以在希臘和羅馬神話中,它總是和戰爭聯系在一起。隨著望遠鏡的出現,模糊的火星影像點燃了人類對這顆紅色行星的奇妙幻想。在19世紀末到20世紀初,人們相信火星上布滿了用於灌溉的運河。他們甚至畫出了火星的運河地圖(見下圖)。這當然就意味著火星上生活著可以創造文明的智慧生命。從此,火星成了科幻小說和電影中外星人的大本營。
在太陽系行星中,火星是太空殖民的首選。和其他行星相比,它的優點太多了。
2.1.
火星概況
火星和地球相似的地方很多,比如,
1. 火星上的一天是24小時39分35.244秒;
2. 火星的表面積是地球的28.4%,略小於地球陸地面積;
3. 火星的自轉軸傾角是25.19度(地球是23.44度),所以它的季節也和地球相似;
4. 火星上的一年等於1.88地球年;最後,火星上有水冰和液態水。
然而,火星並不適合人類居住。首先,它的大氣層十分稀薄,火星大氣壓只有地球的0.5%,而且只有0.1%是氧氣。其次,火星沒有地球這樣規模的全球性磁場,所以太陽和宇宙放射線可以直達火星表面。第三,火星的溫度很低,平均在零下87度到零下5度之間。最後,火星的重力只有地球的38%。我們知道長期的失重將導致肌肉萎縮和骨質疏松,但是火星的微弱重力對人體有多大影響現在還是未知的。
2.2.
飛向火星
飛向火星最節省燃料的方式是充分利用地球的公轉速度。采用下圖的Hohmann軌域轉移,以目前的化學火箭技術,從地球飛向火星需要9個月。
采用更最佳化的軌域,只需要6到7個月就可以到達火星,但是對燃料的需求也會更大。這是現在化學火箭技術能做到的極限。如果要繼續縮短飛行時間,就需要改變火箭推進技術,比如核子動力火箭理論上可以在兩周之內完成旅程。
載人飛船在火星著陸是一個難題。阿波羅飛船在月球上著陸的時候,采用的是噴射火箭減速的方式。而火星的重力遠大於月球,所以阿波羅的著陸方式不適用。火星的空氣過於稀薄,利用空氣減速的大氣制軔技術也難以發揮效果。所以,我們需要為火星任務設計全新的著陸方式。如果碳奈米管技術有重大進展,建立太空電梯是一個解決著陸問題的方案。
2.3.
和地球通訊
當地球出現在火星天空的時候,火星基地和地球通訊是很容易的。但是,當地球落到火星的地平線以下,就無法直接通訊了。這種時候,就需要借助圍繞火星旋轉的中繼衛星。NASA在火星軌域上部署了很多中繼衛星,也就是說,火星通訊衛星網路已經存在了。但是,由於巨大的距離,兩地通訊延遲為3 - 22分鐘(根據火星和地球相對位置),所以電話或即時聊天都是不現實的。
當火星和地球位於太陽兩端的時候,通訊會被太陽阻擋。每一次兩顆行星執行到這個位置時,通訊都會中斷一個月。如果在地球-太陽的拉格朗日點L4或L5部署通訊中繼衛星,理論上可以解決通訊問題。但是,部署在如此遙遠位置上的通訊衛星很難達到所需的功率。此外,L4和L5的衛星雖然很容易達到穩定狀態,但是太空塵埃也很容易在這裏聚集,對衛星造成破壞。
一個替代方案是在火星上空部署中繼衛星。衛星帶有太陽帆推進引擎,讓自己執行在黃道面以外。這樣它就可以越過太陽,實作地球和火星的通訊中繼。
2.4.
早期的火星探索
在大規模建立火星基地之前,需要進行多次探索任務,以獲取火星的大量詳細資訊。說到火星探索,不能不提火星學會提出的Mars Direct(直達火星 Mars Direct | The Mars Society)計劃。以往的火星計劃往往需要極大的開銷和未來科技,如首先建立月球基地或者在地球軌域建造大型太空船。而Mars
Direct計劃提出使用現在存在的科技,用最小的代價獲得最大的探索成果。它是目前最為成熟的火星探索計劃。最近上映的電影【火星救援】也深受這個計劃影響,這一點從電影中的很多細節可以看出來。
計劃是這樣的。
1. 第一次從地球發射的飛船攜帶一個地球返回艙,經過6個月的航行到達火星。這個返回艙不攜帶太空人,由機器人控制。返回艙攜帶8噸氫,小型核子反應爐和化學工廠。
2. 在火星上安置小型核子反應爐和化學工廠。化學工廠開始工作,用內建的氫和火星大氣中的二氧化碳生產甲烷和氧氣。這個過程耗時10個月。
3. 在得到火星上燃料生產完成,並等到第一次發射後26個月,第二艘飛船攜帶一個居住單元和太空人離開地球。太空人至少要4人,這樣他們就可以分為兩組,進行不同的任務。飛船在飛行途中,采用自轉的方式產生1g的人工重力。
4. 同時出發的還有另一艘攜帶返回艙的飛船。這艘飛船使用耗時8個月的慢軌域,所以它達到火星的時間比載人飛船晚兩個月。如果載人飛船著陸火星後,發現第一次的返回艙是完好的,第二個返回艙就會降落到其他地方。否則,第二個返回艙就會降落到第一個返回艙的位置。這樣保證了太空人總是有一個返回艙可以使用。
5. 載人飛船到達以後,居住單元和飛船主體脫離。居住單元環繞火星一周,尋找著陸點訊號,並確認著陸點安全。然後居住單元進入火星大氣,用氣動剎車的方式著陸到第一次返回艙的地點。
6. 降落以後,太空人在火星上工作18個月,進行科學研究。在火星表面,他們使用一個小型的火星車作為交通工具。火星車的能源是前面制造的甲烷和氧。
7. 完成研究任務後,太空人乘坐返回艙離開火星。發射返回艙的燃料仍然是前面制造的甲烷和氧。
8. 返回艙和飛船主體會和後,開始返回地球的航程。飛行途中,仍然采用自轉的方式產生人工重力。
9. 後續的發射任務間隔為兩年。每次同樣包括一個居住單元和返回艙。居住單元將降落在上次的返回艙地點,而返回艙將降落在新的地點。這樣就能逐漸擴大火星表面的探索範圍,為將來建立火星殖民地奠定基礎。
上面的圖片來自紀錄片【
Mars Underground
】(
https://
youtu.be/tcTZvNLL0-w
)
2.5.
火星基地的選址
火星的南北極的優點是有隨季節變化的冰蓋,可以為人類基地提供水資源。然而在其他地區發現液態水之後,吸重力就降低了。
赤道附近的火山Arsia Mons有巨大的天然洞穴。洞穴在抵抗放射線和隕石的效能都十分出色,所以可以在這裏建立地下居住區。另外,赤道附近可能有地熱資源。在Arsia Mons內部有一些長度相當可觀的熔巖管。熔巖管可以完全遮蔽放射線,是建立基地的理想地點。
Valles Marineris是火星的大峽谷,長達3000公裏,深達8公裏。它的優點是峽谷內的大氣壓比火星表面高25%。
2.6. 火星的經濟發展
就像歷史上開發新大陸一樣,經濟是火星殖民地成長的關鍵環節。將來,火星可能成為糧食生產和為小行星帶開發制造裝置的重要基地。然而,在火星的開發階段,最大的經濟問題是建立基地的巨大投資和地形改造。
火星基地的發展方向應該盡量消耗本地資源。在火星上,對人類生存最為重要的水/冰都不是問題。重要的工業原料,鐵,在火星上儲量也十分豐富。火星表面遍布著氧化鐵(這是火星表面紅色的來源)。但是,更有用的鐵礦是鐵鎳隕石,因為這種鐵礦比地面的氧化鐵更容易提煉。
對於火星農業發展來說,最重要的是肥料。如果我們最終也沒能在火星發現生命,那麽火星就沒有自己制作肥料的能力,火星土地就會非常貧瘠。唯一的選擇就是從地球輸入肥料,直到火星的生態環境改變到足以支持有機物迴圈。
太陽能可以成為火星基地的主要能量來源。由於距離太陽較遠,在單位面積上,火星得到的太陽放射線能量只有地球的42%,但是火星大氣十分稀薄,讓更多的太陽放射線到達火星表面,所以火星表面的日照能量和地球上的陰天相當。
核能可以作為太陽能的補充,但是這需要從地球輸入核燃料。由於核燃料體積不大,所以整體的運輸費用非常便宜。為了降低頻繁運輸消耗的能量,有必要在火星上建立太空電梯。下面是一個十分有創意的火星電梯設計方案。
電梯分為兩級。內層電梯連線火衛一(Phobos)和火星。火衛一被火星潮汐釘選,總是用同一面朝著火星。這就為修建電梯提供了方便。
電梯的底部位於火星的大氣層頂部,距離地面大約60公裏,並且以0.77公裏/秒的速度圍繞火星公轉。由於這個位置火星自轉線速度為0.25公裏/秒,所以電梯底部相對於火星地面的速度為0.52公裏/秒。所以,向電梯裝載貨物的時候,需要先用電磁投射裝置把飛行器投射到大氣層頂部,然後,飛行器用自己的火箭引擎改變軌域,進入電梯底部的傳送站。
第二級是外層電梯,它從火衛一向太空延伸6000公裏。外層電梯的頂端是一個發射平台,用於飛船著陸或起飛。在這個太空電梯系統中,火衛一作為一個中轉站。同時,火衛一上也可以建立工廠,使用原生的礦產為火星加工工業原料或者生產飛船的推進劑。
3. 開發金星
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維納斯金星是除了太陽和月亮以外,天空中最亮的天體。 金星的光甚至能在地球上照出影子。人類對金星一直充滿了美好的想象。在中國,人們把它稱為長庚或啟明;在古代希臘和羅馬,它是愛和美的女神。
然而,當人類看清金星的真面目的時候,才發現這是一個十分嚴酷的世界。由於大氣層中蘊含了大量的二氧化碳,它的大氣壓高達地球的90倍。失控的溫室效應把氣溫提升到了駭人聽聞的攝氏400多度,甚至超過了鉛的熔點。前蘇聯向金星發射過多個探測器,金星5,6探測器在高空18公裏處就報廢了;金星7,8探測器成功著陸,並開始傳送數據,但是也只堅持了1個小時。
在金星表面建立人類基地無疑是不現實的,所以現在的開發設想都是在上中層金星大氣建立空中城市,以及一些富於科幻色彩的星球改造計劃。
3.1. 空中城市
盡管如此,和其他行星相比,金星還是有一些優點的。
1. 金星的重力達到地球的0.904倍,完全不用擔心低重力導致的肌肉萎縮和骨質酥松。
2. 距離地球很近,只有4千萬公裏,從地球到金星的發射視窗很短(584天)。
3. 大氣中基本是二氧化碳。把空氣中的硫酸過濾掉以後,二氧化碳可以用來生長糧食。
4. 由於氮氣和氧氣都比二氧化碳輕,充滿氮氣和氧氣氣球可以漂浮在50公裏高度。
在這個高度,氣溫是攝氏75度,大氣壓和地球接近。氣球中的氮氧混合瓦斯可供人類呼吸,所以這樣的巨型氣球成了漂浮的空中城市。空中城市有很多優點,比如氣球內外氣壓一致,即使氣球破裂,空氣泄露也十分緩慢,更不會爆炸。人在氣球外不需要穿加壓服,只需要攜帶氧氣,並且防禦高溫和酸雨就行了。
金星大氣中,這個高度有持續穩定的環金星風帶,風速是95公尺/秒。4天可以環繞金星一周。空中城市無法固定,所以只能被風吹著繞金星公轉。這種狀況帶來一個額外的好處。金星的一個晝夜是243天,長達121天的黑夜對依賴太陽能的空中城市是一個大問題。這個隨波逐流的方案縮短了晝夜周期,問題就自然解決了。另外,空中城市也不需要高強度的防風設計。
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NASA's plan for our next world: a cloud city over 維納斯3.2. 星球改造
要把金星改造成適合人類居住的星球,需要做的事情包括去掉金星上以二氧化碳為主的大氣層;降低溫度;建立和地球相似的晝夜迴圈。
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Should we terraform 維納斯 first?最直接的辦法是建造一個巨大的太陽傘,擋住陽光。如果把這個太陽傘放在金星-太陽的L1拉格朗日點上。一個遮蓋整個行星的太陽傘面積十分巨大。除了建造這個大傘的工程難度,保持它在軌域上的穩定也不容易。這個巨大的太陽傘受到太陽風的推力,很容易偏離,需要不斷調整方向。在這個太陽傘的遮蓋作用下,金星的溫度會逐漸降低,大氣中的二氧化碳會凝結成幹冰。幹冰可以就地掩埋或者運送到火星或木星的一些衛星。大氣中的氮氣在這個過程中自然保留下來。
另一個方案是從木星輸入大量的氫,透過Bosch反應(Bosch reaction)可以生成碳和水。這個反應需要大量的鐵質氣溶膠,可以從水星輸入。由於金星表面較為平坦,產生的水會覆蓋金星表面80%的面積。剩下的金星大氣壓為地球大氣壓的3倍。空氣會繼續溶解到水中去,所以氣壓還會下降。
金星的晝夜周期很長,這是金星的自轉速度決定的。要改變它的自轉速度,難度比改造大氣層還要大。這件事可以和消除大氣層的任務一起做。當大量二氧化碳變成幹冰後,在從金星表面用電磁投射方式把幹冰塊朝金星自轉相反的方向射入太空,可以提高金星的自轉速度。但這種方式需要的時間十分漫長,而且效果難以保證。所以,一個折衷的方案是用太空鏡把陽光反射到黑夜面去。
4. 開發水星
在太陽系裏,水星是距離太陽最近的行星。雖然亮度很高,但是它大多數時候都掩蓋在太陽的光輝中,能夠用肉眼觀察的機會不多。
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The meaning of the dream in which you saw «Mercury總的來說,水星的環境和月球比較相似。
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水星沒有大氣。
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水星被太陽潮汐釘選,自轉周期和公轉周期比例為2:3。
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自轉軸傾角很小,只有0.034度。
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晝夜溫差極大。白天表面溫度高達427度,而夜晚會冷到零下173度。
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兩極溫度常年低於零下93度,所以極地隕石坑有可能有水冰存在。
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由於距離太陽很近,水星接收到很高的太陽放射線能量。水星表面單位面積的太陽能量是地球的6.5倍。
和月球相比,水星的優點是重力達到地球的0.377倍,足以防止低重力對人體造成的危害。
基於目前對水星的了解,水星的開發價值遠不如其他行星。水星嚴酷的環境使它註定不會成為人類的殖民地。而水星上是否存在有價值的資源,目前資訊也不足。
和地球相似,水星有一個全球性的磁場,但是強度只有地球磁場的1.1%。這樣強度的磁場是否會阻擋來自太陽的氦3降落還不得而知。水星磁場有可能把來自太陽的粒子引導到兩極,形成兩個氦3高度集中的地區。水星表面富含鐵和矽酸鎂礦,在太陽系內天體中表面含量是最高的,而且 分布集中,容易開采。
水星距離太陽很近,位於太陽重力勢阱的深處,所以飛向和離開水星都需要消耗大量的能量。從地球飛向水星需要的能量甚至超過離開太陽系。不過這個距離也有一個好處:使用太陽帆引擎可以獲得更大的推動力。如果我們要把水星的礦產運出來,可以把飛船的太陽帆折疊,用電磁投射器發射到太空,然後開啟太陽帆。這種技術可以極大的降低從水星到金星的運輸代價。
5. 開發小行星帶
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NASA, ESA Telescopes Find Evidence for Asteroid Belt Around Vega在火星和木星軌域之間,分布著大量小行星,估計數量超過50萬,所以這個地區被稱為小行星帶(或主小行星帶)。雖然這個數位看起來很大,但是分布在環日軌域上,實際上非常稀疏。從1972年的先鋒10號開始,9個太空探測器穿過了小行星帶,沒有發生過一次撞擊事件。實際上,小行星撞擊探測器的機率僅為10億分之一。
和開發大行星相比, 開發小行星有很多優點。
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小行星意味著低重力。飛船在小行星上起降代價和風險都不大,對技術要求也不高。
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由於數量巨大,探索和開采選擇範圍也很大。
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小行星種類很多,化學構成差異性很高,可以滿足建築,燃料等多方面的需求。
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有的小行星會飛到離地球很近的位置,開采這樣的小行星的代價比開發月球還低。
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小行星可以成為一些需要真空和低重力環境的原料加工基地。
- 很多小行星含有大量的水,碳等對維持生態環境至關重要的物質。
我們可以在比較大的小行星上面修建采礦和加工工廠,然後用飛船把產品出口到太陽系內的其他殖民地。阿西莫夫曾經提出在中空的小行星內部建立基地的想法。由於小行星數量巨大,這些電洞可以容納大量的人口。
小行星帶中最大的天體是谷神星,它是一顆矮行星,直徑接近1000公裏。小行星中比較大的包括竈神星,智神星等。它們都將成為開發小行星帶的重要基地。
同時,開發小行星的困難也不少,例如對人體危害很大的低重力,微弱的太陽能,強烈的宇宙和太陽放射線。此外,很多小行星只是巖石或塵埃的松散結構,根本無法降落。
6. 開發木星
木星是太陽系中最大的行星,它的品質甚至超過除太陽外其他所有太陽系天體的總和。古代中國把它叫做歲星或太歲,把木星在天空執行一周的12年周期(實際上是11.8年)定義為一個周天。在羅馬神話中,木星是神王朱庇特。而我記憶中木星的印象,卻是夜空中的笑臉(下圖笑臉中左眼是金星,右眼是木星)。
6.1. 木星
木星是氣態巨行星(gas giant),外層是以氫為主體的大氣層;再往下是液態的氫;核心可能是液態和固態的金屬氫。木星大氣底層氣壓極大,以人類的技術無法深入,所以開發木星的方案是在大氣層頂部開采氦3。
下面是木星大氣的藝術想象圖。
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Jupiter by JustV23 on DeviantArt在木星附近進行開發的一個主要困難是放射線。木星外核液態金屬氫的流動創造了高強度的磁場。這個強磁場和木衛 一(Io)釋放出的火山瓦斯交互作用,使木星成為一個巨大的放射線源。木星周圍的放射線強度遠遠高於行星際空間。
和金星一樣,我們可以在木星大氣中找到一個大氣壓和地球相似的高度,並在這裏修建空中城市和工廠,提取木星大氣中的氫和氦3資源。但是,這樣做困難很多,包括木星大氣中強烈的風暴。此外,木星大氣中的主要成分是氫,所以一點點氧氣泄露都可能導致災難性的後果。木星巨大的重力也會讓人類活動變得十分困難。
6.2. 木星衛星
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Jupiter's Moons are Putting on an Amazing Show January 2015木星衛星的開發價值也很大。在木星龐大的衛星家族中, 最具吸重力的是木衛二(Europa)。木衛二的表面是一層冰封的外殼,所以天文學家們一直認為,它的內部是巨大的液態水海洋。木衛二的火山活動為這個冰下世界提供著能量,很可能海洋中孕育了一個繁榮的生命世界。說不定有一天,我們在冰蓋上鉆一個洞,扔下魚鉤,就可以釣出外星怪魚。這樣一個海洋對人類基地的重要性毋庸置疑。它不但可以為人類生存和工業發展提供液態水,還可以電解提供氧氣。
由於表面的極度低溫和強烈放射線,木衛二表面並不適合建造人類基地。冰蓋下的海洋中是更理想的位置。也許有一天,我們會在木衛二的海洋中建立大量的水下城市。
木衛四(Callisto)是唯一距離木星較遠的大衛星,相對放射線強度也較低,是唯一可以建立表面基地的衛星。它將會成為木星開發的第一站。在木衛四上面建立的工廠可以為木衛二的開發生產機器和火箭推進劑。下圖是木衛四基地的想象圖。
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Callisto (moon)木星軌域上同樣分布著大量的小行星,它們大多在木星的L5和L6拉格朗日點附近來回擺動。這些的主要成分是水冰和塵埃,也就是像彗核一樣的「臟雪球」。從這些臟雪球提取出來的水可以用於太陽系其他位置的基地建設。
7. 開發土星
在地球的夜空中,土星顯示出淡淡的黃色。在中國古人的觀念中,黃色屬土,所以把它叫做土星。處於類似的原因,土星在羅馬神話中是農神。土星優雅的光環,使它成為太陽系中外形最漂亮的行星。
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Real Pictures of Planets (page 3)第一個發現土星光環的是伽利略。但是在他的比較原始的望遠鏡下,光環十分模糊,所以他把土星稱為長耳朵的行星。50年後,惠更斯用更先進的望遠鏡才看清了光環的本來面目。
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New gadgets are opening windows on reptiles除了品質小了一些,土星和木星十分相似。它也是一顆氣態巨行星,深不可測的大氣中蘊含著豐富的氫和氦3。我們可以在它的大氣上層修建空中城市開采資源。同時,土星還具備一些木星沒有的優點。首先,土星不像木星那樣向外散發大量放射線;其次,土星的衛星系統具有極高的開發價值。提出Mars Direct計劃的NASA科學家Robert Zubrin曾說過,土星是未來的波斯灣。
在土星的衛星中,開發價值最高的最大的土衛六(Titan)。
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Titan (moon)如果你來到土衛六,會看到非常熟悉的景象。這裏有河流,湖泊,海洋;天空中飄著朵朵白雲;微風在身邊吹拂;有時候,淅淅瀝瀝的雨水落下,水面上泛起一圈圈漣漪。除了溫度比較低(零下180度),其他的看起來都和地球十分相似。然而,和地球不同的是,你看到的一切,都是各種氣態和液態的碳氫化合物,大部份是甲烷。
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"Space Art"sanat癟覺lar簡而言之,土衛六就是一個燃料星球。當然,如果我們不想讓溫室效應把地球變成第二個金星,就不能把這些甲烷都搬到地球上去燒。但是,我們完全可以把這些燃料用於太陽系中各個地區的基地建設和飛船驅動。
要開采土衛六,需要在它的表面建立開發基地。顯然,土衛六是不適合人類居住的,所以基地必須是密封的建築。在這樣的低溫環境下,建築的主要功能是供熱。土衛六大氣壓是地球的1.5倍,所以建築內外氣壓差不大,工程難度就比月球那樣的真空環境降低了很多。但是,建築的密封非常重要,輕微的氧氣泄漏就可能引起大霹靂。
由於低溫,土衛六的空氣密度是地球的4.5倍。借助空氣動力的飛機可以獲得更大的升力,甚至人力扇動翅膀也可以飛起來。
然而,土衛六的重力只有地球的13.8%,比月球還低。長期居住在這樣的低重力環境對人體的傷害是不容忽視的。
8. 開發天王星,海王星,柯依伯帶和奧爾特雲
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Neptune天王星和海王星是冰巨行星(ice giant)。它們濃厚的大氣層中也有豐富的氦3資源,可以用空中城市進行開采,也可以把基地建立在它們的衛星上,用遙控的機器人飛船開采它們的大氣資源。
海王星的衛星海衛一(Triton)有強烈的地質活動,天文學家懷疑內部可能有液態水和氨的海洋。如果把內部的地熱引到表面,就可以為海衛一基地提供能量。
海王星軌域以外的廣大區域,分布著大量的巖石,冰(固態的水,甲烷和氨),和一些矮行星。被降級的冥王星就在這裏。它的寬度是小行星帶的20倍,總品質估計是小行星帶的上百倍。這就是柯依伯帶。
柯依伯帶之外,是一片一直延伸到0.03光年以外的空曠地帶。而這個地帶之外,分布著無數以冰和塵埃為主的小型天體,在遙遠而黑暗的太空深處緩緩遊動。這裏是奧爾特雲,太陽系中彗星的主要來源。太陽系的其他天體都在黃道面上運動,而奧爾特雲不一樣,它是一個球形,從各個方向把太陽系包裹起來。奧爾特雲範圍很大,一直延伸到2光年以外,這是太陽到比鄰星的一半路程。
很多天文學家認為,未來人類的理想定居地是海外天體(Trans-Neptunian Objects)。這裏的海外是指海王星以外,包括柯依伯帶和奧爾特雲,不是出國移民的意思。弗裏曼 戴森(記得戴森球嗎?)就持這種觀點。
海外區域有上千億的冰質天體,它們包含對人類發展至關重要的水,氨,碳化合物和氦3。建立在矮行星上的人類基地可以使用氦3核融合的能量,從矮行星開采水和其他礦物。由於矮行星的低重力,開采它們的內部資源非常容易。
在這個地區定居的另一個重要優點是,由於距離太陽很遠,太陽放射線已經很低了。所以,基地完全可以建立在星球表面。考慮到低重力對人體的損害,另一個方案是把基地建立在矮行星內部。具體方法是,把矮行星內部掏空,在空洞中心放置人造太陽,然後把城市修建在洞壁上。矮行星自轉的離心力可以起到人工重力的效果。
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Bernal sphere到這裏,人類已經完成了征服太陽系的任務,但這只是人類邁向太空的第一步,我們還要把人類文明散布到鄰近的恒星系。距離我們最近的比鄰星很可能也有自己的奧爾特雲,那麽從我們的奧爾特雲基地出發,不需要使用科幻級別的飛船,就可以慢慢遷移過去,開始星際殖民的征途。
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參考資料