【工業】開發太陽系的經濟效益

上周有讀者問我有關外星拓展的經濟效益問題。我想了一想，雖然沒有特別詳盡的細節資料，但這不是我的錯；事實上絕大多數有關這方面的討論，不是空想就是忽悠，所以寫一篇文章來解釋這個議題，還是有意義的。

我們先把基本的分析原則講清楚：一個人類未來的成就是否會發生，必須通過三個層次的考慮（參見前文《從貝爾實驗談起》）：最基本的，是物理上必須可行；其次是工程上能實現；最終則是在實際應用上，是否有經濟效益。如果物理上不可能，那麽自然一切免談。如果理論原則上可以發生，但是因爲有層層的物理限制，所以工程上無法實現，結果也是一樣的。但是一般畫科幻餅來充飢的人，主要是沒有考慮經濟效益；現實裏賠錢的生意沒人做，即使爲了國家的“光榮”而硬是由政府把稅金投進去，這也頂多只能是特例，不會成爲人類社會的普遍常態和經濟活動的重要組成部分。

接著我想要澄清，所謂的外星拓展，只能是太陽系。這是因爲人類永遠不可能對其他的星系做直接殖民或開發。我們的這個宇宙，極爲浩瀚，星系之間的距離以光年計。很不幸的，相對論限制了飛船的速度：隨著速度的增高，質量因而增大，加減速就越困難。即使假設有了無限而廉價的能源，加減速的過程仍然極度花時間。再加上星系之間的零散粒子，在飛船接近光速的10%這個量級之後，會形成極强的放射性照射，很快就能拆解飛船的結構（更別提裏面的生物細胞了），所以在不考慮費用的前提下，星際飛船的極速仍然在光速的1%上下（亦即時速一千萬公里），到太陽系的近鄰（距離4.2光年）來回一次，仍然是一千多年的事。飛船的乘客或許可以人工冬眠，但是地球的人類社會卻不會一起冬眠來等他們，那麽也就很難想象爲什麽要投入接近無限的資金（別忘了，人命是有價的，無限的資金就是無限的人命犧牲；參見前文《政府的第一要務》）來搞這樣一件事。

前面特別說“直接殖民或開發”，是因爲如果用間接的手段來做，可以節省4到5個數量級的資源，那麽在非常極端的社會環境下，或許在長遠的未來至少有理論上的可能。這個所謂的間接手段，就是送一個只搭載AI的小飛船來做星際旅行，到達目的地之後，再根據所記錄的DNA來人工合成生物體，進行殖民。如此一來，飛船就不需要保護生物細胞，其載荷可以做得相對很小，那麽在工程上已經做出無限而廉價的能源的前提下，費用或許是人類經濟可以承受得起的。不過這對地球人類自身一點好處都沒有，純粹就是花費，而21世紀的人類連全球暖化這種犧牲現在1塊錢來挽救50年後子孫100塊錢的努力（環保議題的核心，還是經濟效益，只不過是長期、全面的經濟效益，參見前文《有關環保和全球暖化的幾點想法》），都無法達成共識。那麽30世紀的人類要做出如此無私的奉獻，其政治結構和國際環境也必須先有重大的改變（換句話説，必須有絕對中央集權的統一人類政府，在太陽系有整體滅絕的危險威脅下）才可能。

在另一個極端，則是近地軌道。自從Yuri Gagarin在1961年的軌道飛行開始，至今57年來，近地軌道斷斷續續地一直有人類占據。載人航天是有一點經濟回報的，它主要來自進行零重力或者無大氣阻隔的科學實驗（例如前文《丁肇中與高能物理界的牛屎文化》所討論的AMS-02就由Space Shuttle送到ISS上；當然，要做成無人衛星也是完全可行的）。不過這些回報（相對於使用無人衛星技術），比起投入的資源，説是零頭都有點誇張。所以近地軌道載人航天並沒有什麽直接的經濟效益，它之所以持續了許久的主要原因有二：1）它的工程難度不高，整體費用佔人類經濟體量比例也很低，有許多國家負擔得起；2）20世紀和21世紀的國際社會是分裂而且有强烈對立競爭的，所以載人航天的宣傳性價值，彌補了它在實體經濟上的負面代價。換句話説，如果人類有了統一而理性的政府，就不會再從事載人航天。但是既然21世紀還有霸權交替這個議題，那麽載人航天的市場就會持續、甚至擴展下去。

然而近地軌道並不是“外星”，它就像人類家門口的臺階一樣，走到那裏算是“出了門”，但是並沒有去到哪裏。所以真正的“外星拓展”的前提，是必須脫離地球軌道。

要脫離地球軌道，必須完全剋服地球的重力井（Gravity Well）。相比近地軌道，所用的净能量是2倍；但是因爲火箭必須帶著燃料加速，所需載荷能力大約成長5倍；因爲越大的系統越複雜，工業和財政上的投入則大約為10倍，這（指載人脫離近地軌道的任務）就把二流航天國家給統統刷下來了，只剩下直接爭奪霸權的兩大強權才有能力來做。

脫離地球軌道後的第一站是月球。其他的目的地距離都遠上至少百倍（航天飛行不是直綫的），並且還有要剋服太陽重力井的問題。雖然月球只像是人類住家旁邊院子裏的棚舍，因爲飛往月球比其他太陽系的目的地容易許多，我們還是先仔細考慮一下它的經濟效益。

目前所有載人航天有經濟回報的作業，都不須要離開近地軌道，所以我們必須去找月球獨有的資源。這個問題由全球幾代的科幻作家和熱血青年想來想去，最終也只有一個可能答案，就是氦三（Helium 3）。這是因爲我以前提過，月球是太陽系形成的過程中，一個火星大小的原行星（Proto Planet）撞擊地球，把地球表層的物質打入獨立的軌道而造成的，所以月殼的岩石和地表的地質一模一樣，那麽自然沒有理由捨近求遠，到月球去開礦。

氦三又是什麽呢？它是氦四的一個同位素，在地表極爲罕見，但卻是太陽的重要組成成分之一。太陽的核聚變反應產生巨大的能量，除了以光子的形式輻射出來之外，也持續吐出表面的離子，以星際旅行的速度（即大約光速的0.1%-1%）四散飛出，這叫做太陽風（Solar Wind）。太陽風打到地球的保護性磁層（Magnetosphere），遠在大氣層之外就被排開（否則會把大氣層逐漸吹走，火星就是因爲沒有强磁場，才失去了原有的大氣層）或捕捉（成爲極光）了。然而月球既沒有磁場，也沒有大氣層，所以太陽風的離子直接打到月表上，就可能被岩層捕捉。但是氦的沸點很低，有一點太陽光照就又飛走了，所以科幻作家就想像它會聚積在月球兩極，日光照射不到的火山口裏（離子在飛行的時候，可以因電磁場而轉彎，所以光子打不到並不代表離子也打不到），經過太陽系40多億年的歷史，可能有足夠工業化開采的纍積量。

工業化開采氦三有什麽用呢？我在前文《永遠的未來技術》裏曾解釋過，核聚變除了必須用強磁場來拘束溫度極高的等離子體之外，真正很可能無解的工程難題，在於如何將產生的大量高能中子轉化為可以用來發電的熱能，同時避免維持真空的腔壁被中子打爛。目前國際上所有忽悠政府花大錢來研究核聚變技術的團隊，都還在攻關拘束等離子體的問題，對高能中子的處理一概避而不談。但是有些科幻作家，比這些所謂的科學家還要誠實，他們早就考慮到高能中子的破壞性問題，而且承認它應該是無解的，所以就開始探討是否有完全避免高能中子的選項。

他們發現的可能解決方案中，遠遠最理想的，是把現在常見的氘+氚（Deuterium + Tritium）聚變燃料，改成氘+氦三（Deuterium + Helium 3）。如此一來，聚變的廢料只有氫和氦四，而沒有了中子。但是這會有兩個新的大困難：1）聚變溫度又提高不止一個數量級，目前我們連能否用磁場來拘束氘+氚聚變都不確定，要把標靶再提高幾十倍，很可能就完全超出磁鐵製造技術的實用可能範疇；2）地球上沒有任何可靠的氦三來源。

總結來説，假設人類只差高能中子的破壞性問題，能做到把核聚變發電工程化，再假設從那個技術層次，磁場性能還有再提升幾十倍的空間，再假設這樣的發電站能在經濟上與太陽能和風電競爭（實際上由於產量的因素，這是極不可能的；太陽能光板每年生產幾十億片，風電站每年安裝幾十萬座，核聚變發電站每年能建多少？），那麽將會有工業化開采氦三的需要。假設月球自轉的進動（會讓自轉軸漂移，兩極因而移動）可以忽略，再假設月球岩石能夠捕捉足夠的太陽風，再假設人類有開采月球岩石所含的氦三的技術能力，那麽就會有在月球兩極采礦的必要。

然而這並不代表載人航天會有經濟效益，因爲除了報酬之外，討論經濟性還要算入付出。地球到月球之間的飛行，只不過是兩三天的事，但是有關維生系統和放射性防護的考慮，和前面講星際旅行的時候是一致的。除了維生系統的死重之外，近地軌道因爲是在前面提到的地球磁層之内，基本不需要對太陽風和宇宙綫做太多的防護，但是載人系統已經比無人衛星貴上許多倍。一旦離開近地軌道，沒有防護的宇航員在幾個禮拜之内，就會因放射性而傷殘甚至死亡。太陽風的能量低，還不算太難阻擋，但是宇宙綫的能量很高，能阻擋它的鉛塊或磁鐵極爲沉重，就算月球基地可以包括堅實厚重的保護殼，往返地月的飛行器是無法加裝的。宇航員一生中承受一次這樣的放射性照射，還算是可以接受的代價；如果是例行的工業化作業，從人道和經濟的觀點都説不過去。反正AI的發展已經開始有突破，同樣的工作由AI代勞，自動節省兩個數量級的費用，還沒有人命的危險，絕對比人工作業要有經濟效益。

美國的創投企業，還嫌在月球開采氦三不夠“前瞻”，這幾年又鼓吹到小行星去采礦，連資金都已經搞到了幾億。他們想開采的，是各式各樣的稀有重金屬，例如鉑等等。其實太陽系並不缺這些重金屬，但是地球在剛成型的時候，整體處於熔融狀態，重的元素大部分沉入地心，所以地表就稀缺了。小行星沒有足夠的重力場，所以重金屬還可以留在表面。

雖然小行星上的稀有金屬，不像月表的氦三，是必然存在的，人類工業對稀有金屬的需求，也不像氦三那樣有不確定性，但是地表的已知礦產存量，還足夠200年左右的使用，而且到小行星的飛行時間，大約是地月旅行的百倍，所以要在21世紀開采這些礦產，只能是圈錢的藉口。即使在23世紀，有了真正的需求和技術，基於前面的討論，我們也可以安全地預言，它將是由AI和機器人來執行的。

載人航天，永遠都是形象工程。這並不代表它沒有價值，因爲社會需要若干程度的形象工程，例如奧運培訓、世界杯競爭等等。但是由於宇宙綫的限制，短暫登月是載人航天的天然極限。美國圈錢大師的火星殖民夢，連搶先占領“智慧產權”都談不上，純屬欺騙外行人的伎倆。