写在星舰大规模发射前夜的想象

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尽管马斯克对去火星的执念大家有目共睹, 但是月球大规模开发和随之带来的新工业模式更加贴合我对星舰重新定义的未来工业生产模式的想象. 或许超越当下想象的未来生产模式距离我们真的没一座太空电梯或者其他科幻文明奇观那么远, 或许就在下一个五年.
飞往月球
在看到地月距离有足足 384403.9 千米, 是地球半径的 60 倍, 光速往返也需要超过 2.5 秒很多人都对这无法被理解的距离数字彻底吓坏了, 但是在太空中的转移过程真的比各位想象的廉价太多了. 从距离地面 2000 公里的近地轨道 (Low Earth orbit, LEO) 通往月球的航线通常被我们称为地-月转移轨道 (Trans-lunar injection, TLI). 尽管都是前往月球, 但是不同的机动方式会花费不同的时间, 所耗费航天器的 Delta-v (综合航天器燃料, 质量, 发动机所产生的推进能力) 也大不相同, 但是这些航线都有一个特点, 就是站在地球上的我们视野里, 它们出奇的便宜.
在阿波罗任务中, 算不上高效的土星五号第三级在 TLI 开机阶段往往会开机 350 秒左右, 提供大概 3.05 到 3.25 km/s 的 Delta-v. 而在无人运输领域, 例如欧航局 03 年的 SMART-1 探测卫星任务里他们只花费了不到之前航行任务百分之一的 Delta-v, 代价是多次启停修正轨道和极长的时间花费 (航天器用了13个月才到达月球轨道，用了17个月才到达预定轨道). 这意味着前往月球的这段旅程比这个星球上大多数的航运, 车载交通方式要省钱的多得多得多.
不过上面的问题有一定航天基础的朋友早就知道我在老生常谈了. 而目前无法给大规模轨道工业, 还有月球工业提供可行性的核心问题不外乎一点, 那就是穿越大气层从地面到 LEO 的巨大花销. 看过标题的朋友肯定知道我这时要谈论星舰, 但是星舰并没有完全解决这个问题.
星舰最近的集成测试成本都在千万美元左右, 即便是真的达到马斯克理想的回收状态, 星舰的单次发射也需要至少 100 万美元的开销. 这样巨大的开销下作为人类近期能看到的最廉价的进入 LEO 的方式, 星舰的重复运载能力却不过仅有 150 吨. 如果我们的生产逻辑是将地球上大量的工业原料送往太空, 甚至月球 (这显然毫无道理) 进行加工再运输回地球, 那么这至少 100 万美元/ 150 吨的运输成本显然只能支持少部分高利润并对真空环境微重力环境有极高追求的行业有吸引力. 尽管这样的行业实际上并不少, 包括医药卫生行业, 芯片加工行业等. 但是我认为我们还可以想象的更远.
月球的资源
如果有人想要在月球进行一场工业革命, 月球的矿物储量, 开采容易度, 冶炼容易度和丰度是会给他们一个大大的惊喜. 由于特殊的区位优势, 月球时常受到被地球甚至木星吸引而来的小行星撞击. 这些较新较独立的产物金属丰度远超从星云宇宙尘埃中孕育而来的行星; 而由于没有大气, 即便是位于月球表层的矿物也没有想地球表面一样被过多的分解氧化, 再加上低重力带来的运输优势, 在月球上开采出能用的矿石比地球上简单太多了; 没有过多的分解氧化, 丰度高, 除此之外通过比地球高得多的太阳能利用率和热效率 (真空没有热对流, 高炉可不会凉下来), 再加上微重力对建筑和工程的巨大优势, 冶炼环境也能节省下很多成本.
那么月球的矿物种类如何呢? 月球的主要构成之一就是月海玄武岩, 这种几乎构成了月球表面的矿物富含铁钛, 而且很大一部分都以单质的形式存在. 而今年的探索结果表明月球的构成元素和地球, 尤其是地幔部分的差别并不大, 再加上小行星经年累月的精耕细作, 月球事实上具有地球上存在的全部 60 种矿物和 6 种地球上不存在的金属矿物, 月球的稀土, 稀有金属丰度和种类都比地球多不少. 
高昂的运输成本和恶劣的生存条件在过去阻止人类对月球的一切开发念想, 让人们对月球资源的所有了解都只能放在科幻小说上. 当然, 正如上文所述, 即使是星舰成功, 我们也几乎不可能向月球殖民, 将大量的人口运输到月球, 或者将工业原料运送到月球加工, 那么月球的资源真的对我们有价值吗? 至此我要指出一个月球实际上对于我们而言最大的价值, 也就是通向地球上空任何轨道和地面上任何地区的低廉的运输成本.

月球-轨道生产模式
从地球到月球的成本高昂到难以接受, 但是月球到地球全然不是这样. 正如海因莱茵在小说 <<愤怒的月亮>> 中描写的那样, 由于月球的低重力, 只需要极少量的燃料推进, 或者一个稍大一点的航母甲板弹射装置, 通过重力月球上的物资就可以被轻易的发送到地球表面, 在很多情况下, 这甚至只需要几个小时的运输. 不光是月球到地球表面, 这样运输方式也可以轻易的将月球上的资源运输到地球上空的其他轨道, 这其中包括近地轨道和地球静止轨道等等, 这意味着微重力工业也可以廉价得得到月球资源.
这套生产模式在过去一直存活在世界各国的科幻或者未来战略构想中, 但是苦于能支持这套生产模式初期发展的商业困难, 巨大的风险和航天工业的专制发展没法真正实现. 但是能被一直构想说明了这其中蕴含着得巨大价值, 一套低廉的真空微重力工业体系. 在地球上人类花费了海量的工业成本实际上只是为了克服重力和大气所带来的衍生加工难度.
在真空微重力环境下物料不需要支持, 不用担心氧化变质腐败, 不用担心纯度, 细菌, 灰尘. 这样的加工环境对于人类的大多数工业生产来说都是难以想象的巨大优势. 例如因为没有重力, 大气的影响, 没有热对流的影响, 增材加工模式 (3D 打印) 能轻松获取和地球上减材加工 (车铣加工) 一样甚至更好的材料性能, 也可以使用更多常规材料来完成加工, 而且加工的工件尺寸可能大到前所未见. 在地球上成本高昂的电镜, 甚至冷冻电镜在微重力真空环境下甚至可能如同一般的工业传感器一样随处可见. 还有利用真空环境保持超导效应之类的设想光是简单想想就让人兴奋的直起鸡皮疙瘩.
再说星舰可能带来什么?
正如前文简单提到的, 人类目前就已经存在很多工业环节即使只是将原料从地球运往太空建立轨道工厂就已经可以赚取巨大利益. 想象一个巨大的晶圆漂浮在太空工厂中, 完全没有灰尘震动的影响将怎样的改善芯片良率和工艺? 还有那些大量的蛋白质和其他活性物质. 如果大量廉价的冷冻电镜真的在轨道中被建立, 100 万美元/ 150 吨的运输成本便宜的让生物研究人员可以从梦中笑醒.
在过去人类的运载能力完全不足以支撑这样的商业模式, 但是星舰完全有可能. 再加上星链还有更多我们没有想象但是一定存在的载荷任务, 人类的工业轨道转移初期可能就此启动. 一旦运力发展, 那么上文提到的月球-轨道生产模式, 或者更加遥远的小行星-轨道生产模式是否能有所发展?
尽管这一切都是想象, 但是想想五年十年后的今天, 属于各个航天公司的可回收火箭在天空忙碌的往返, 在高边疆上建立下人类的工业基础设施, 随后又是五年或者十年, 来自月球的质量投射器将各种来自宇宙空间的工业产品通过一次性的小铁皮包裹发送回地球的各个地区. 在不存在一切种族地缘的宇宙空间里, 从生产到文化, 人类也许能真正走出隔阂.