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月球大开发 精选

已有 3534 次阅读 2021-4-16 01:33 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

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。




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