【工业】开发太阳系的经济效益_风闻

上周有读者问我有关外星拓展的经济效益问题。我想了一想，虽然没有特别详尽的细节资料，但这不是我的错；事实上绝大多数有关这方面的讨论，不是空想就是忽悠，所以写一篇文章来解释这个议题，还是有意义的。

我们先把基本的分析原则讲清楚：一个人类未来的成就是否会发生，必须通过三个层次的考虑（参见前文《从贝尔实验谈起》）：最基本的，是物理上必须可行；其次是工程上能实现；最终则是在实际应用上，是否有经济效益。如果物理上不可能，那么自然一切免谈。如果理论原则上可以发生，但是因为有层层的物理限制，所以工程上无法实现，结果也是一样的。但是一般画科幻饼来充飢的人，主要是没有考虑经济效益；现实里赔钱的生意没人做，即使为了国家的“光荣”而硬是由政府把税金投进去，这也顶多只能是特例，不会成为人类社会的普遍常态和经济活动的重要组成部分。

接著我想要澄清，所谓的外星拓展，只能是太阳系。这是因为人类永远不可能对其他的星系做直接殖民或开发。我们的这个宇宙，极为浩瀚，星系之间的距离以光年计。很不幸的，相对论限制了飞船的速度：随著速度的增高，质量因而增大，加减速就越困难。即使假设有了无限而廉价的能源，加减速的过程仍然极度花时间。再加上星系之间的零散粒子，在飞船接近光速的10%这个量级之后，会形成极强的放射性照射，很快就能拆解飞船的结构（更别提里面的生物细胞了），所以在不考虑费用的前提下，星际飞船的极速仍然在光速的1%上下（亦即时速一千万公里），到太阳系的近邻（距离4.2光年）来回一次，仍然是一千多年的事。飞船的乘客或许可以人工冬眠，但是地球的人类社会却不会一起冬眠来等他们，那么也就很难想象为什么要投入接近无限的资金（别忘了，人命是有价的，无限的资金就是无限的人命牺牲；参见前文《政府的第一要务》）来搞这样一件事。

前面特别说“直接殖民或开发”，是因为如果用间接的手段来做，可以节省4到5个数量级的资源，那么在非常极端的社会环境下，或许在长远的未来至少有理论上的可能。这个所谓的间接手段，就是送一个只搭载AI的小飞船来做星际旅行，到达目的地之后，再根据所记录的DNA来人工合成生物体，进行殖民。如此一来，飞船就不需要保护生物细胞，其载荷可以做得相对很小，那么在工程上已经做出无限而廉价的能源的前提下，费用或许是人类经济可以承受得起的。不过这对地球人类自身一点好处都没有，纯粹就是花费，而21世纪的人类连全球暖化这种牺牲现在1块钱来挽救50年后子孙100块钱的努力（参见前文《有关环保和全球暖化的几点想法》），都无法达成共识。那么30世纪的人类要做出如此无私的奉献，其政治结构和国际环境也必须先有重大的改变（换句话说，必须有绝对中央集权的统一人类政府，在太阳系有整体灭绝的危险威胁下）才可能。

在另一个极端，则是近地轨道。自从Yuri Gagarin在1961年的轨道飞行开始，至今57年来，近地轨道断断续续地一直有人类占据。载人航天是有一点经济回报的，它主要来自进行零重力或者无大气阻隔的科学实验（例如前文《丁肇中与高能物理界的牛屎文化》所讨论的AMS-02就由Space Shuttle送到ISS上；当然，要做成无人卫星也是完全可行的）。不过这些回报（相对于使用无人卫星技术），比起投入的资源，说是零头都有点夸张。所以近地轨道载人航天并没有什么直接的经济效益，它之所以持续了许久的主要原因有二：1）它的工程难度不高，整体费用佔人类经济体量比例也很低，有许多国家负担得起；2）20世纪和21世纪的国际社会是分裂而且有强烈对立竞争的，所以载人航天的宣传性价值，弥补了它在实体经济上的负面代价。换句话说，如果人类有了统一而理性的政府，就不会再从事载人航天。但是既然21世纪还有霸权交替这个议题，那么载人航天的市场就会持续、甚至扩展下去。

然而近地轨道并不是“外星”，它就像人类家门口的台阶一样，走到那里算是“出了门”，但是并没有去到哪里。所以真正的“外星拓展”的前提，是必须脱离地球轨道。

要脱离地球轨道，必须完全剋服地球的重力井（Gravity Well）。相比近地轨道，所用的净能量是2倍；但是因为火箭必须带著燃料加速，所需载荷能力大约成长5倍；因为越大的系统越复杂，工业和财政上的投入则大约为10倍，这（指载人脱离近地轨道的任务）就把二流航天国家给统统刷下来了，只剩下直接争夺霸权的两大强权才有能力来做。

脱离地球轨道后的第一站是月球。其他的目的地距离都远上至少百倍（航天飞行不是直线的），并且还有要克服太阳重力井的问题。虽然月球只像是人类住家旁边院子里的棚舍，因爲飞往月球比其他太阳系的目的地容易许多，我们还是先仔细考虑一下它的经济效益。

目前所有载人航天有经济回报的作业，都不须要离开近地轨道，所以我们必须去找月球独有的资源。这个问题由全球几代的科幻作家和热血青年想来想去，最终也只有一个可能答案，就是氦三（Helium 3）。这是因为我以前提过，月球是太阳系形成的过程中，一个火星大小的原行星（Proto Planet）撞击地球，把地球表层的物质打入独立的轨道而造成的，所以月壳的岩石和地表的地质一模一样，那么自然没有理由捨近求远，到月球去开矿。

氦三又是什么呢？它是氦四的一个同位素，在地表极为罕见，但却是太阳的重要组成成分之一。太阳的核聚变反应产生巨大的能量，除了以光子的形式辐射出来之外，也持续吐出表面的离子，以星际旅行的速度（即大约光速的0.1%-1%）四散飞出，这叫做太阳风（Solar Wind）。太阳风打到地球的保护性磁层（Magnetosphere），远在大气层之外就被排开了（否则会把大气层逐渐吹走，火星就是因为没有强磁场，才失去了原有的大气层）。然而月球既没有磁场，也没有大气层，所以太阳风的离子直接打到月表上，就可能被岩层捕捉。但是氦的沸点很低，有一点太阳光照就又飞走了，所以科幻作家就想像它会聚积在月球两极，日光照射不到的火山口里（离子在飞行的时候，可以因电磁场而转弯，所以光子打不到并不代表离子也打不到），经过太阳系40多亿年的历史，可能有足够工业化开采的纍积量。

工业化开采氦三有什么用呢？我在前文《永远的未来技术》里曾解释过，核聚变除了必须用强磁场来拘束温度极高的等离子体之外，真正很可能无解的工程难题，在于如何将产生的大量高能中子转化为可以用来发电的热能，同时避免维持真空的腔壁被中子打烂。目前国际上所有忽悠政府花大钱来研究核聚变技术的团队，都还在攻关拘束等离子体的问题，对高能中子的处理一概避而不谈。但是有些科幻作家，比这些所谓的科学家还要诚实，他们早就考虑到高能中子的破坏性问题，而且承认它应该是无解的，所以就开始探讨是否有完全避免高能中子的选项。

他们发现的可能解决方案中，远远最理想的，是把现在常见的氘+氚（Deuterium + Tritium）聚变燃料，改成氘+氦三（Deuterium + Helium 3）。如此一来，聚变的废料只有氢和氦四，而没有了中子。但是这会有两个新的大困难：1）聚变温度又提高不止一个数量级，目前我们连能否用磁场来拘束氘+氚聚变都不确定，要把标靶再提高几十倍，很可能就完全超出磁铁製造技术的实用可能范畴；2）地球上没有任何可靠的氦三来源。

总结来说，假设人类只差高能中子的破坏性问题，能做到把核聚变发电工程化，再假设从那个技术层次，磁场性能还有再提升几十倍的空间，再假设这样的发电站能在经济上与太阳能和风电竞争（实际上由于产量的因素，这是极不可能的；太阳能光板每年生产几十亿片，风电站每年安装几十万座，核聚变发电站每年能建多少？），那么将会有工业化开采氦三的需要。假设月球自转的进动（会让自转轴漂移，两极因而移动）可以忽略，再假设月球岩石能够捕捉足够的太阳风，再假设人类有开采月球岩石所含的氦三的技术能力，那么就会有在月球两极采矿的必要。

但是这并不代表载人航天会有经济效益，因为除了报酬之外，讨论经济性还要算入付出。地球到月球之间的飞行，只不过是两三天的事，但是有关维生系统和放射性防护的考虑，和前面讲星际旅行的时候是一致的。除了维生系统的死重之外，近地轨道因为是在前面提到的地球磁层之内，基本不需要对太阳风和宇宙綫做太多的防护，但是载人系统已经比无人卫星贵上许多倍。一旦离开近地轨道，没有防护的宇航员在几个礼拜之内，就会因放射性而伤残甚至死亡。太阳风的能量低，还不算太难阻挡，但是宇宙綫的能量很高，能阻挡它的铅块或磁铁极为沉重，就算月球基地可以包括坚实厚重的保护壳，往返地月的飞行器是无法加装的。宇航员一生中承受一次这样的放射性照射，还算是可以接受的代价；如果是例行的工业化作业，从人道和经济的观点都说不过去。反正AI的发展已经开始有突破，同样的工作由AI代劳，自动节省两个数量级的费用，还没有人命的危险，绝对比人工作业要有经济效益。

美国的创投企业，还嫌在月球开采氦三不够“前瞻”，这几年又鼓吹到小行星去采矿，连资金都已经搞到了几亿。他们想开采的，是各式各样的稀有重金属，例如铂等等。其实太阳系并不缺这些重金属，但是地球在刚成型的时候，整体处于熔融状态，重的元素大部分沉入地心，所以地表就稀缺了。小行星没有足够的重力场，所以重金属还可以留在表面。

虽然小行星上的稀有金属，不像月表的氦三，是必然存在的，人类工业对稀有金属的需求，也不像氦三那样有不确定性，但是地表的已知矿产存量，还足够200年左右的使用，而且到小行星的飞行时间，大约是地月旅行的百倍，所以要在21世纪开采这些矿产，只能是圈钱的藉口。即使在23世纪，有了真正的需求和技术，基于前面的讨论，我们也可以安全地预言，它将是由AI和机器人来执行的。

载人航天，永远都是形象工程。这并不代表它没有价值，因为社会需要若干程度的形象工程，例如奥运培训、世界杯竞争等等。但是由于宇宙綫的限制，短暂登月是载人航天的天然极限。美国圈钱大师的火星殖民梦，连抢先占领“智慧产权”都谈不上，纯属欺骗外行人的伎俩。