2018-11-01 10:42:00
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。
【後註一】正文中說國際上的主要核聚變研發團隊，都忽略高能中子的破壞性問題。這一直到最近，還是正確的，但是現在已經有了一個例外。MIT的新SPARC反應器，將會專注在兩個真正關鍵的工程問題上：1）高溫超導磁鐵；2）熔鹽中子減速劑。他們對高能中子破壞性的解決方案，是把屏蔽和減速劑管道都事先設計為可以經常更換的。這並不代表他們會成功（因爲在工程上和經濟上都有很大的難關，所以機率很小），但是至少這個團隊能直面技術挑戰，而不是在沒有什麽實際意義的“世界紀錄”上向媒體炒作。
【後註二】今天（2020年七月2日）有讀者在《觀察者網》問我有關ITER在研發可做爲内壁屏障（Blanket Modules）的新材料並不斷有“突破”，以及裂變/聚變混合堆兩件事，我的回答如下：
候選材料遠遠不止你説的那些，原因是目前根本就沒有任何材料接近所需的性能，但是錢又已經發下來了，結果是百花齊放，哪個教授高興弄點錢，就可以隨便找個合金來做研究，順便發個新聞稿吹噓一番。反正要說幾句“將會”和“可能”簡單得很，浪費政府的錢在自己身上也不是很難受的事。
其實屏蔽中子並非不可能；這裏的真正問題在於内壁不只是要屏蔽中子，而且要維持真空，然後還不能有太嚴重的二次輻射（Secondary Radiation）。發明沒有揮發性，所以不會污染等離子體的材料已經夠難了，在極强的中子輻射以及定期的等離子雲崩潰衝擊下還要維持晶體結構、不能釋放表層原子，這根本就是天方夜譚。那些教授心裏完全明白，但是選擇一致緘默、悶聲發大財，已經算是侵占；不時發表有極端誤導性的新聞稿，吹噓沒有意義的所謂進步，則成爲主動詐騙。
混合堆不是用來發電，而是利用聚變產生的高能中子處理商用裂變發電厰的廢料，促進半衰期特別不方便的TransUranic元素進行裂變，成爲半衰期很短的小原子，這樣可以靠短期儲存來消除輻射性。這所需的聚變規模很小，也不要求能量效率，所以至少在理論上是可行的。
【後註三，2022/02/01】今天在《RT》上看到Gerard ‘t Hooft（他的最大成就在於以博士論文證明Yang-Mills方程式的邏輯自洽，從而幫助它成爲主流理論，是1974年完善標準模型的拱心石，因此他獲得1999年諾貝爾物理獎）的訪談（參見《Humans Will Never Get to Deep Space》），很高興又有大佬願意出來説實話。這裏是最重要的三個評論：“（There） will always be unanswered questions (in) particle physics.”換句話説，自稱“Theory of everything”的超弦從原則上就可以知道是騙人的東西。“Dont agree with concept...that our universe is one of many.”也就是Multiverse多重宇宙是理論失敗後，轉爲玄學所用的必需藉口。“Dont think humans will even travel to deep space.”這正是本篇正文的主旨。