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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(2024)。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。
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。
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。
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。
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。
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