第 4.1 節：計劃概述

本節概述了我們選擇的計劃。第 4 部分的後續章節、第 5 部分的設計研究以及其他地方和連結的相關文章將提供更多詳細資訊。截至 2017 年末，該計劃概念尚不完善，歡迎讀者為此做出貢獻並加以改進。概念設計和初步設計是總體設計和開發的早期階段，尚未完成。因此，我們尚未選擇所有首選方案，並且經常會提出多個候選方案。

計劃目標

每個計劃都需要可識別的目標和目標來指導設計和實施工作。 第 5.1 節 是早期的一項研究，旨在制定這些目標和目標，並制定滿足這些目標的初始設計概念。計劃目標最簡潔的表述是

升級地球上的文明，並逐步擴充套件到更困難的環境，包括太空中的多個區域。

支援這一目標的計劃目標包括

改善地球上的生活 透過開發更好的技術來製造物質商品，並從當地資源中可持續地生活。
擴大物質和能源資源 透過獲得目前難以到達的地球和太空位置。
提高生物圈安全性 透過適應更困難的環境，包括地球本身的未來變化，以及抵禦不希望的變化。
減少來自太空的危害 透過識別它們是什麼，然後開發處理它們的方法。
更好地瞭解地球 透過觀察我們的家園星球、它在太空中的環境以及其他星球和環境。
長期生存 透過分散到多個位置並獲取所需的新資源。
增加選擇和自由 透過開放無人居住的地區供居住和使用。
增加機會 透過獲得未開發的資源和更有效的技術。

該計劃的預期收益包括

低成本進入太空，消除了目前進入太空的障礙。
衍生技術 來自嘗試完成困難的任務，然後可以在其他地方找到用途。
對未來的樂觀態度 透過證明我們並不處於一個有限的、封閉的世界中。樂觀的態度反過來改變了人們的行為方式。

該計劃的這些益處歸功於整個文明，儘管具體專案可能由較小的組織資助和執行。

計劃概述

我們目前的文明僅顯著利用了地球表面的 13.5%。如果平均分佈在該區域，生物圈加上人為環境約為 200 公斤/平方米。這僅佔地球總質量 117.1 億公斤/平方米的微小部分。已知的太陽系主要行星和小天體總質量是地球質量的 447 倍。從厚度上來說，我們目前的文明相當於我們使用的地球部分的 20 釐米厚的一層。與地球主體相比，這只是一層非常薄的薄膜。該層厚度假設內容物平均為水的密度（生物大約是這樣），並且被壓平並均勻分佈。

我們的文明在所有形式上使用約 20 太瓦的能量。忽略其他能源，這僅佔照射地球的 174,000 太瓦陽光的一小部分，而太陽產生的 383 萬億太瓦的極小一部分。貧困和物質短缺等問題並非源於資源短缺。它們的存在是因為我們幾乎沒有使用存在的巨量物質和能源資源。因此，我們計劃的方法可以簡單地解釋為“使用更多已經存在的資源”。當然，我們希望負責任地這樣做，並將對生物圈和人們當前生活的副作用降到最低。

總體方法

從歷史上看，人們首先佔據了最容易的環境，並利用了最容易獲得的材料和能源來源。我們的計劃理念是繼續走“先易後難”的道路，但將現代技術應用於逐步佔據和使用地球上越來越困難的環境，然後是太空環境。我們可以利用現有的生產裝置，並使用“智慧工具”（自動化、軟體、機器人和人工智慧）來高效地製造更多產品。從最容易的地方開始，即人們已經居住的現有地點。然後，將啟動裝置集傳送到下一個更困難的環境，在那裡它們可以使用當地能量和材料來增長。當它們擴充套件到足夠大時，它們就可以幫助在更困難的位置開始。當環境不太困難時，人們會陪同啟動裝置集。在更極端和偏遠的地方，裝置會自動執行或透過遠端控制執行，直到為人們建造了合適的空間。透過這種方式，文明可以逐步升級人們已經居住的地方，水平擴充套件到我們大部分尚未使用的區域（如海洋、沙漠和冰蓋），以及垂直向下進入地球和向上進入太空。

我們預計該計劃將作為許多獨立的專案執行，每個專案都有其自身的原因。然而，出於工程分析、設計和最佳化的目的，我們將把該計劃作為一個整體來考慮。這類似於飛機設計必須考慮飛機執行的機場和空中交通管制系統，即使飛機制造商、航空公司、機場和空中交通管制網路都由不同的組織運營。透過展示整個計劃，我們希望為未來提供一個充滿希望的願景，並激勵人們根據自己的興趣和能力遵循所選部分。

我們的“先易後難”方法是一系列逐步升級和擴充套件到新環境，以前區域提供開啟下一區域的手段。在建立新區域的同時，現有區域繼續被佔據和使用。因此，我們將計劃組織成多個階段，這些階段具有交錯的開始時間（圖 4.1-1）以及哪些階段導致後續階段的順序（圖 4.1-2）。一旦開始，某個階段將與早期階段以及計劃之外的文明其餘部分並行進行。反過來，階段被細分為更小的專案、地點和功能，並具有執行這些功能的工程系統和子系統。計劃的各個部分在所有級別以及文明的其他部分之間透過各種輸入和輸出相互互動。

前四個階段始於地球。它們是

階段 0：研究與開發
階段 1：啟動專案與網路
階段 2：分散式和工業發展
階段 3：地球其他發展

研發階段為後續階段提供必要的技術和設計，因此排在首位。第一、第二和第三階段以運營規模和中等、困難或極端操作環境進行區分。不同的規模和環境將導致不同的特定設計，因此我們為每個階段定義了階段。小型裝置可以用來製造大型裝置，並可以集中起來形成更大的生產系統，因此從啟動階段到分散式階段再到工業階段的順序。最容易開始的地方是條件適中的發達地區，因此前三個階段都從那裡開始。第三階段在此基礎上積累經驗，因此排在第四位，在更難的環境中進行。如果你想知道為什麼一本關於太空系統的書中七個階段中有四個是在地球上的，請記住，目前大多數太空活動實際上是在地面進行的。例如，有六個人在軌道上的國際空間站上，但僅美國部分的專案在地球上就僱傭了大約 12,000 人。

剩下的三個階段是在太空中進行的，這通常比地球上最困難的地方還要難。這部分是由於缺乏呼吸空氣、輻射和溫度等條件。到達太空不同區域所需的能量和旅行時間增加了其難度。這些階段是

階段 4：軌道開發
階段 5：行星系開發
階段 6：星際開發

軌道開發從最靠近地球的區域開始，並按距離向外延伸到更高軌道，然後從內到外繞太陽執行。行星系區域受月球和主要行星的引力束縛。它們包括圍繞它們執行的軌道、它們表面的軌道和它們衛星的軌道。最後，星際區域不受我們太陽和太陽系的束縛。第 4、5 和 6 階段的順序是根據到達其位置的距離和難度，因為給定區域的裝置必須來自或經過之前的區域。

大多數主要階段都分為更具體的子階段：2A、2B、3A、3B 等。整個增長和擴張序列旨在從啟動之日起就能自我籌資。自我擴充套件的生產和其他新技術應該有足夠的價值來證明其自身的發展。在地球和太空中逐步使用這些技術可以為每個後續擴充套件提供資金。

階段 0：研究與開發 (R&D)

現有的文明已經積累了大量的技術知識、設計和裝置。一些新的物品是各種專案階段所需要的，因此研發階段將完成開發這些物品的必要工作。這包括概念設計和初步設計、元件研究、詳細設計、原型製造和測試。完成的物品將供應給後續階段，並在適當的時候供應給整個社會。來自此階段的新知識和技術也將貢獻回整個文明。研發階段分為多個子階段，根據需要研發工作的後續階段進行劃分。這包括階段 0 本身，以防需要獨特的設施、裝置或流程來進行研發工作。

種子工廠

在階段 0 中開發的第一項主要技術是種子工廠。我們認為這個概念足夠重要，它在地球上的應用與太空的不同，值得專門出一本書來探討。種子工廠是一種系統，可以從一組啟動的人員和裝置開始，根據需要擴充套件到任何規模。它們透過使用現有工具和機器、當地能源和材料資源以及工藝和設計知識來製造更多自己的裝置來增長。隨著新的和不同的裝置新增到集合中，增長率可以呈指數級增長。與任何其他工廠系統一樣，種子工廠旨在生產有用的成品。投入生產的產量用於增長與成品之間的比例是可以變化的，並由使用者需求決定。它們儘可能地利用智慧工具，例如自動化、軟體、機器人和人工智慧，來利用人們的工作。智慧工具和遠端控制在應對困難和極端環境方面尤其有用。

當前的技術水平不允許種子工廠完全自動化或製造 100% 的自身部件，因此它不是完全自我複製的。相反，目標是達到高水平且不斷提高的自我生產和自動化水平。當擴充套件到新的環境或位置時，你會帶上一套啟動裝置，它會開始使用當地材料和能源來製造新裝置的部件。任何無法在當地找到或製造的東西將繼續進口，但隨著當地產能的增長，進口量會下降。環境越遠越困難，當地生產相對於從其他地方帶來一切的優勢就越大。因此，這種方法在您向太空深處進發時變得更加有用。即使在地球上已經開發的地區，一套啟動裝置也比一座完整的工廠便宜。因此，種子工廠在地球上的使用具有經濟合理性。

在已經開發的地區，不斷增長的工廠除了使用當地的原材料外，還可以將當地的廢物和廢料作為投入。這帶來了環境效益。在發達地區和新地區，它們都會接受任何輸入，並將它們轉化為成品材料，然後轉化為成品零件和完整產品。工廠無法高效製造的物品將繼續進口，一小部分物品將需要在當地找不到的稀有材料。因此，即使它已經達到全尺寸，工廠也不可能生產 100% 的需求。該程式中的所有位置以及整個文明將構成一個相互關聯的貿易網路，彼此供應當地缺乏或難以製造的東西。

其他技術

一些其他新技術或升級技術將對該計劃有用。一個例子是分散式生產網路。傳統的工廠將人員和裝置集中在一個地方，因為這是高效組織工作的唯一途徑。有了現代通訊和運輸，可以協調分佈在許多地方的工作。這已經實現了軟體開發，但需要改進實體商品的開發。需要改進的領域包括遠端操作和自動流程編譯，以支援不斷變化的裝置集。

在空間技術方面，當前的計劃還沒有完全整合現有的知識和硬體，例如電力推進。他們還沒有完全整合最基本的在軌生產方法，儘管目前正在進行一些相關研究。許多新想法由於資金不足而停滯不前。因此，研發階段將遵循雙重方法。首先是最大限度地利用現有資源來規劃一個連貫的計劃。其次是利用我們在地球上開發的一些生產能力來製造和測試用於新的和尚未嘗試過的新想法的裝置。本書的第二部分和第三部分列出了許多這樣的想法。由於一些空間技術只能在太空中完全測試，所以研發階段的後期將涉及太空中的位置。

階段 1：啟動專案和網路

早期階段 0 研發、階段 1 和階段 2 都在地球上的中等環境中進行，這些環境是最容易開始的地方。我們為一些環境引數（如溫度、水供應和氣壓）定義了中等條件。每個引數都認為是適中的，其中目前 90% 的人口居住在中間，兩端各有 5%。如果任何引數超出中等範圍，則整個位置將不再是中等範圍。中等範圍旨在作為“典型”或“正常”條件進行設計，以便單個設計能夠在環境的任何部分執行。中等條件由自然外部環境測量，而不是受控生產、居住或運輸空間的內部。

階段 1 透過構建第一個可執行的種子工廠裝置，開始積累從啟動裝置進行引導的經驗。早期裝置包括購買或製造的傳統工具和機器，以及在研發階段設計的啟動裝置機器。啟動地點位於已經開發和人口稠密的地區，這些地區可以供應啟動和執行所需的一切。階段 1 機器通常體積較小，例如用於業餘愛好和家庭改進型別使用。這使得它們對個人或小型團體來說負擔得起。機器可以放在家裡或當地建造的作坊裡。除了在這個階段直接用於小規模生產外，這些經驗對於後續階段也將很有用。更偏遠和更困難的位置更容易從小型啟動裝置進行引導，因為需要進口的裝置更少。

階段 1 還在其他領域積累經驗。一個是建立個人和小團體的分散式網路，並在多個地方配備裝置。作為生產有用產品和服務的協調努力，它仍然可以被視為一家工廠或企業，只是它不是一個傳統意義上的位於單個物理位置的工廠或企業。另一個領域是培養使用裝置的人員的知識和技能。大多數人在普通教育中沒有接受過小規模生產的教育，因此除了種子裝置和軟體外，我們還需要對使用者進行教育和培訓。瞭解哪些技能和培訓是必要的，這對於後續階段將很有用。

我們預計第一階段的運營商主要會利用他們的技能和機器來為自己、彼此以及他們所在的社群製造物品。大規模的商業生產和向公眾銷售將在下一階段進行。由於初始套件旨在升級和擴充套件，因此向下一階段的演變可以是自然而漸進的。在此階段，可以使用從現有裝置傳送的部分裝置集或從外部購買的裝置集，啟動新的網路節點和新位置。

階段 2：分散式和工業發展

隨著更多人、他們的技能和裝置在一個特定地點積累，他們可以開始在他們自己的社群之外進行銷售和交易。然後，他們可以從網路運營中獲得大部分的經濟支援，而在第一階段，這更多的是業餘愛好和兼職級別的努力。在人們能夠養活自己的程度上，它減輕了自動化帶來的工作不安全和流離失所的傳統風險。在欠發達地區，這意味著生活水平的提高。除了為以後的專案目標而努力之外，這些本身就是有用的目標。

直接自舉方法是使用現有機器製造更大的機器的零件。這將裝置從家庭和業餘愛好級別擴充套件到小型企業、商業和工業規模。更廣泛地使用裝置強調更高的工作迴圈（執行時間的百分比）和使用壽命（總執行時間）。在業餘愛好級別上，輕型裝置足夠，而在工業級別上，重型裝置是首選。使用規模和強度都需要對第一階段的設計進行修改，並且需要持續的研發來開發。在較小的規模上，在一個地方收集全系列生產機器並製造各種產品是可行的。在較大的規模上，裝置及其操作員變得更加分散和專業化，併為更大的市場服務。因此，位置設計和生產流程也進行了修改，以適應這些變化。

因此，我們將第二階段劃分為兩個子階段，分別基於規模和專業化。並非所有人都能升級到更大的規模和強度，因此第一階段將繼續執行，並且將混合使用小型、中型和大型裝置。第二階段的位置與第一階段處於相同的適度環境中，附近有發達和人口稠密的地區。

第二階段A：分散式位置 - 這涵蓋了超越網路中業餘愛好和家庭改進級別的努力的位置，達到能夠提供個人大部分經濟支援以及提供給網路外部人員更廣泛的總產品和服務範圍的小型企業和商業級別。

第二階段B：工業位置 - 這些位置以最有效的規模和專業化水平為更大、更廣泛的市場服務。此規模可能需要外部資金用於土地和裝置，而早期階段可以透過內部增長實現自籌資金。這是因為以小幅增量購買和開發工業規模的場地很難。由於供應來源和客戶分佈更廣泛，運輸能力變得更加重要。外部市場力量也比社群內部需求更重要。處理市場力量的一種方法是在多個行業之間進行分散的產權，以便根據需要重新分配人們的工作和裝置。

階段 3：地球其他發展

地球上困難和極端地區是指在任何環境和發展引數中都比中等條件超出 10% 和 20% 的地區。有關引數的詳細資訊，請參見第 5.2 節 環境範圍。這些區域包括表面的偏遠、無人居住和未開發區域，例如海洋、沙漠和冰蓋。它們還包括遠離地表的區域，例如現有城市深處的地下，或更高的高度。這些區域可能在地理上靠近適度的表面位置，但更難建造。

條件越困難和極端，設計就需要進行更多修改以適應它們。這是透過修改工作裝置或人工調節區域性執行環境到合適的範圍來實現的。由於所需的設計修改範圍，我們將此階段劃分為兩個子階段，分別基於所需的數量。由於條件可以在許多方面與中等條件不同，我們預計需要許多定製設計。這些位置通常是未開發和無人居住的。因此，起始套件和其他裝置無法在本地獲得，需要從以前的位置運送。它們通常不會是小規模的，因為當地運營商沒有其他工作來養活自己，或者沒有額外的空間來容納它們。運輸成本較高，以及支援現場人員和遠端運營，也往往使得小規模裝置不經濟。

這個主要階段使我們能夠將文明擴充套件到地球表面尚未得到充分利用的 6/7，以及縱向向下深入地下和海洋，以及向上到更高的高度。預計世界人口將在 21 世紀繼續增長。目前欠發達地區的人們也希望達到更高的經濟發展水平。為了滿足他們的所有需求，在一定程度上需要向新區域擴充套件。這與其說是對個人空間的需求，不如說是為了獲得更多的能源和物質資源。這些地區的示例專案是在沙漠中建立溫室和供水系統，以增加食物供應。自動化和遠端控制允許這些位置執行，即使許多人不願意住在那裡。這兩個子階段是

第三階段A：困難的地球位置 - 這些位置定義為至少有一個引數超出中等範圍的 10% 或更多，根據引數的不同以線性或對數方式進行測量。這些引數是在當地開發和升級之前測量的。例如，在建造合適的隧道和豎井之前，深入地下很困難，但之後就不難了。困難的溫度是指平均冬季低溫低於 -18 攝氏度或平均夏季高溫高於 42 攝氏度，例如北極或炎熱沙漠地區。乾旱的沙漠和潮溼的熱帶雨林的水供應水平很困難 - 太少或太多。海拔超過 2750 米開始對某些人造成問題，土壤強度低於 0.19 兆帕或地面/水壓力高於 2.5 兆帕對於建造來說很困難。主要來自風能和太陽能的能量供應低於 125 瓦特/平方米會使所有需要電力的活動變得困難。位於地表深處的區域與這些能源隔絕。地球上的重力幾乎是恆定的，大多數地方的背景輻射低於 17 毫西弗/年，在這些引數方面並不困難。通訊往返時間（ping 時間）超過 100 毫秒，以及人們正常單程旅行時間超過 2.5 天被認為是困難的。平均居住時間低於 5 年和貨物運輸能耗高於 2.85 兆焦/公斤會加重人員流動和外部供應困難帶來的額外負擔。

第三階段B：極端的地球位置 - 極端位置使用相同的引數，但至少超出中等範圍的 20%，直至現有技術的極限。因此，平均日低溫低於 -23 攝氏度或高溫高於 47 攝氏度是極端的，只存在於惡劣的氣候中，例如高海拔或地下深處。水供應低於 0.12 或高於 3.8 米/年，以及氣壓低於 70 千帕或高於 120 千帕（+5500 米和 -1600 米海拔）也是極端條件。土壤強度低於 0.12 兆帕，包括強度為零的水面，是極端條件，無法在其上建造。因此，所有海洋表面，只要深度超過從海底建造的深度，都被認為是極端的。地面和水壓力高於 3 兆帕需要額外的結構支撐，並且存在於水下 300 米和岩石下 120 米的深度。地球上的重力永遠不會是極端的，但一些高背景輻射區域和磁極上空的高海拔地區超過了 21 毫西弗/年的水平，被認為是極端的。如果缺少現代通訊，ping 時間超過 125 毫秒，如果缺少傳統運輸，旅行時間超過 3 天。這些都屬於極端範圍，以及居住時間低於 3 年 4 個月，和貨物運輸能耗高於 3.5 兆焦/公斤。堅定的採礦應能夠在大陸地殼中達到 9.5 公里的深度，在海洋地殼中達到 7 公里的深度，此外還有水深。包括海洋在內，總計 46 億立方公里的資源應可獲得。

階段 4：軌道開發

我們已經在一定程度上探索和利用了地球以外的空間。這種利用受到將所有必需品提升到地球深重力井的難度和成本的限制。我們透過利用 4 階段區域中已有的能量和材料來在當地製造東西，從而繞過這個問題。這使得這些區域能夠得到更充分的開發，並促進文明的擴充套件。前幾個階段的生產能力被用於建造火箭和發射場，這些發射場可以將啟動套裝和其他裝置送入軌道。這些裝置在逐步擴充套件的位置啟動了當地的生產、居住、運輸和服務，從靠近地球開始，然後移至遠離強重力井的“開放空間”。這些地點共享高水平或全天候的陽光作為能量來源，低重力便於移動大型物體，以及真空，可以使某些生產方法成為可能。這些共享條件導致共享設計，因此它們被歸類為一個主要階段。

隨著距離地球和太陽越來越遠，交通需求不斷增加，並且需要進行熱力、動力和其他設計方面的改變。這使我們能夠透過區域來識別六個子階段。這些子階段按順序相互銜接，一個階段的產出用於幫助下一個階段的交付和地點設立。軌道生產將首先支援現有的空間產業，截至 2016 年，該產業擁有近 1500 顆在軌衛星，經濟活動規模達到 3400 億美元。隨著自舉生產的成本降低，當前市場應會擴大，新的市場將具有經濟效益。因此，與之前的階段一樣，這個階段一旦啟動就應該能夠自給自足。

階段 4A：近地軌道開發 - 我們將近地軌道定義為從地球表面以上 160 公里到平均 2700 公里。下限由顯著的大氣阻力設定，大氣阻力會阻止穩定的軌道。上限是地球表面到逃逸速度所需能量的一半。它被描述為平均高度，因為橢圓軌道是可能的，橢圓軌道的高度不斷變化，但總能量不變。大多數近地軌道在 22%-40% 的時間內處於地球陰影中，這會降低可用太陽能，通常需要為處於陰影中的時間儲存能量。溫度和光照受到附近地球的調節，通訊和旅行時間相對較短。自然環境包括範艾倫輻射帶 的內部，以及適度的流星體通量。材料資源包括地球大氣的上邊緣和人造空間碎片。其他材料必須從其他地方進口。

階段 4B：高軌道開發 - 高地球軌道從平均高度 2700 公里延伸至地球引力支配範圍的極限，約為 150 萬公里。雖然距離跨度很大，但這僅代表地球表面到逃逸速度所需能量的 25%。它不包括距離月球 35000 公里以內以及月球本身，這些區域被分配到下面的 5A 階段。高軌道 78% 到 100% 的時間都處於陽光照射下，溫度主要受太陽控制。在最外層，通訊和旅行時間可能長達 10 秒的 ping 時間和 7 個月的最有效路線的傳輸時間。與低軌道一樣，自然環境包括來自範艾倫輻射帶剩餘部分的高輻射水平，以及在磁層之外，來自太陽和銀河輻射源的高輻射水平。流星體通量同樣適度，因為太陽系的大部分地區都是如此。就地材料資源包括少量人造碎片，但高軌道很容易到達月球和近地小行星。可以從這些地方運送材料，然後利用高太陽能通量進行當地生產。

階段 4C：內行星際開發 - 該區域包括從儘可能靠近太陽的軌道到平均 1.8 個天文單位的軌道，小行星帶從此開始。它不包括水星、金星、地球和火星這四顆主要行星以及它們周圍的引力束縛區域。內行星際軌道 100% 的時間都處於陽光照射下，太陽能通量從 31% 到地球附近的許多倍不等。即使是最低的水平也與地球上最好的地方相匹配，因為沒有夜晚或大氣吸收來降低它。溫度隨太陽能通量的多少而變化，需要遮陽板或隔熱材料來調節人類和裝置的溫度。整個區域的通訊時間最長可達 1 小時往返，最短的能量轉移軌道的旅行時間可能需要數年。截至 2017 年底，該區域有超過17000 個已知天體，每年增加約 1500 個。僅最大的成員估計質量就有 17 萬億噸。因此，材料和能源資源廣泛可用，可用於生產和其他目的。

階段 4D：主帶和小行星群開發 - 該區域包括平均距離太陽 1.8 到 5.2 個天文單位的軌道，但距離木星 2000 萬公里以內的部分除外。條件與前一階段類似，只是太陽能通量從地球附近的 31% 降至 3.7%。在外圍地區，可能需要太陽能反射器或其他電源（如核電源）來維持溫度和供電。最壞情況下，通訊時間可能長達 2.88 小時，最有效的路線的旅行時間可能需要 12 年。材料資源包括70 萬個以上已知天體，它們位於主帶、希爾達群和小行星群。它們的總質量約為 30 億億噸，所有這些資源都可以在充分的採礦作業下獲得。這些材料可以緩慢但高效地透過電力推進和主要行星的引力輔助傳送到內區域。該區域的較遠部分由於低溫而包含大量的冰和揮發性化合物。

階段 4E：外行星際開發 - 該區域包括距離太陽 5.2 到 50 個天文單位的軌道，但土星、天王星和海王星周圍的區域除外。該區域的太陽能通量非常低，從地球附近的 3.7% 降至 0.04%。將需要核電源或非常大且輕巧的太陽能反射器來供電和保暖。如果沒有這些，物體自然會處於 -56 到 -200 攝氏度的溫度，具體取決於顏色。往返通訊時間最長可達 1.15 天，最有效的軌道旅行時間最長可達 350 年。這太長了，不具有經濟意義，因此實際旅行時間將取決於更快運輸方式的可用性。海王星軌道之外的柯伊伯帶（30-50 個天文單位）有大約 1750 個已知天體，還有 340 個半人馬座和短週期彗星，它們的軌道穿過一顆氣態巨行星。這包括冥王星和其他一些矮行星，該區域的總質量為地球的 4%-10%。該區域可能還有許多目前太小而無法發現的天體。該區域由於低溫而富含水和冷凍氣體。

階段 4F：散射盤、希爾雲和奧爾特雲開發 - 最後軌道區域是一個巨大的區域，從太陽平均距離 50 個天文單位延伸至 10 萬個天文單位。該區域共享極低的溫度，並且接近太陽逃逸能量。我們根據距離將其劃分為三個部分：散射盤，從 50 個天文單位到 2000 個天文單位，希爾雲，從 2000 個天文單位到 10000 個天文單位，奧爾特雲，從 10000 個天文單位到 10 萬個天文單位。外邊界是太陽引力支配範圍的盡頭。我們目前對該區域天體的探測能力很差。這是由於距離太遠，而且缺乏反射回地球的陽光。僅發現了大約 335 個處於固定軌道的物體，以及少量長週期彗星。我們預計還有數千個等待發現，包括一個可能與海王星大小相當的行星。該區域的總質量尚不清楚，但可能是地球的許多倍。在當前技術條件下，旅行、通訊和裝置供電將非常困難。因此，重大開發將等待這些領域的未來改進。

階段 5：行星系開發

行星系統位置與軌道位置的不同之處在於它們與相對較大的重力井相連，需要額外的運輸能力來穿越。它們還可能在靠近或位於表面時體驗陰影或夜晚，以及來自捕獲粒子帶的更高輻射水平。大型天體的表面具有顯著的重力水平，有時還有大氣層。所有這些條件都不同於 4 階段開放空間中的條件，導致不同的階段，併為它們設計不同的方案。各個行星系統也彼此不同，需要設計方案來適應每個系統。因此，我們提供了五個子階段來涵蓋這些位置的範圍。子階段按難易程度排列，大致順序為：軌道和行星開發子階段的開始時間重疊。每個行星開發子階段都在必須穿越才能到達它們的軌道區域之後開始。

階段 5A：月球開發 - 月球區域包括月球本身，以及距離月球中心平均 35000 公里以內的軌道。月球在物理距離上相對靠近地球，但到達月球表面需要由於月球重力井而導致的額外能量。因此，它在難度方面排在 4B 階段：高軌道之後。通訊和旅行時間相對較短，比高軌道的一些部分更短。月球表面的每單位面積的可用陽光為赤道上高軌道的 50%，在較高緯度地區更低。對於最高的環月軌道，可用性可達 99%。平均溫度與地球相似，但暴露區域在光線和黑暗之間可能相差數百度。在月球上進行有針對性的開採應該能夠到達 50 公里的深度，然後岩石壓力會使其變得不合理地困難。這使得 20 億立方公里資源潛在地可用。由於其起源和歷史，與附近的小行星相比，月球的揮發物 已經消耗殆盡。這些是沸點相對較低的元素和化合物，例如地球上發現的水和大氣。相反，月球地質 表明金屬氧化物的比例很高，這使其成為氧氣和各種金屬的良好來源。

階段 5B：火星開發 - 火星區域包括火星本身，以及距離其中心平均 340000 公里以內的軌道。這包括天然衛星火衛一和火衛二。火星軌道是偏心率，因此太陽能通量從地球附近參考值的 36% 到 52.5% 不等。火星表面的重力從 3.68 到 3.74 m/s²（地球的 37.5%）不等，大氣壓力從 30 到 1155 帕斯卡（地球的 0.03%-1.14%）不等。火星位置將在 4C 階段：內行星際之後，因為您必須穿越行星際空間才能到達火星。有針對性的開採應該能夠到達大約 25 公里的深度，提供 36 億立方公里的可獲取資源，幾乎是月球的兩倍。火星保留了大量的水，並且具有相當多樣化的地質。

第五階段C：金星和水星開發 - 這些區域包括兩顆行星，以及距離其中心不到 600,000 公里和 100,000 公里的軌道。由於缺乏已知附近的行星或衛星，到達其軌道和著陸所需的更高 ΔV 以及極端高溫或高壓條件，這些位置排在火星之後。它們的優勢在於太陽能通量分別是地球的 1.9 倍和 4.6-10.6 倍，提供充足的能量來開採和加工資源。該區域缺乏已知小行星可能是由於軌道時間短，導致行星經常飛掠。因此，一個特定的小行星會因撞擊行星、軌道向外偏移或移至靠近太陽而蒸發而被移除。來自更遠軌道的引力變化會提供新的天體。缺乏可能是由於在朝著太陽方向觀察時難以發現小型天體。如果行星本身和附近的小行星不足或成分不合適，則可以透過從供應充足的外圍區域進口來彌補。

第五階段D：木星系統開發 - 木星系統包括最大的行星、69 顆已知衛星，其中 4 顆非常大，以及距離行星中心 2000 萬公里內的軌道。較大的衛星可用於引力輔助，使不同地點之間的旅行更容易，但木星的巨大質量使得到達木星本身非常困難。木星的開發將在邏輯上遵循第四階段D：主帶和特洛伊小行星。木星位於特洛伊小行星群之間，最外層的衛星實際上是鬆散捕獲的小行星，這使其成為一個容易的下一步。向內推進需要更多的運輸能量，而且會遇到致命的輻射水平，需要大量的遮蔽來保護人員和裝置。大型衛星代表著數十億立方公里的資源，最終將使它們成為有吸引力的來源。然而，太陽能通量為地球的 3.3%-4.1%，這給提供足夠的能量來利用這些資源帶來了挑戰。

第五階段E：外層氣態巨行星開發 - 這一階段包括土星、天王星和海王星，以及周圍區域，分別在 2000 萬、1200 萬和 1200 萬公里範圍內。它包括 103 顆已知衛星，其中一些很大，以及三個環狀系統，其中一個以其突出而聞名。太陽能通量分別為地球的 1%、1/4% 和 1/9%，這使得替代能源來源非常有吸引力。這些地點遵循第四階段E：外層星際空間，因為您必須穿越該區域才能到達三顆行星及其周圍區域。這一階段的距離和所需技術都非常遠，因此需要進行大量的研究和開發才能使用。

階段 6：星際開發

最後一個主要階段包括與太陽引力井無關的位置。這包括不與特定恆星相關的開放星際空間，以及圍繞其他恆星系的區域。沒有理由在太陽系的邊界處停止文明的擴張，假設我們擁有必要的技術，並且在經濟上是合理的。然而，目前我們並不知道即使是最靠近的恆星周圍存在哪些行星系，並且在合理時間內到達它們的運輸技術目前還處於推測階段。我們將這一階段列為一項長期計劃目標，但需要了解的是，大多數細節將不得不等待。我們將這一階段分為三個子階段，以說明附近星際空間和系外星系中不同的環境和活動，以及銀河系的更遠區域。

第六階段A：附近星際空間開發 - 該區域從距離太陽 100,000 個天文單位開始，太陽的引力不再占主導地位。為了設計目的，我們設定了距離太陽 20 光年的任意限制。如果我們可以達到該距離，並重新補充/重建我們的裝置，那麼隨後的專案就可以以 20 光年的增量進一步旅行，但不需要新的設計。星際區域不包括 20 光年內的恆星及其各自的引力支配區域。它們被分配到第六階段B，因為它們與太陽附近之前的階段比恆星之間的空間更相似。因此，該區域的體積類似於瑞士乳酪的固體部分，其中散佈著未包含的孔洞。截至 2017 年，該區域的內容知之甚少，但密度非常低。它包括星際介質，包括氣體、塵埃、粒子以及輻射。它可能包括比塵埃大但比恆星小的天體，到目前為止，這些天體主要未被探測到。

第六階段B：附近系外星系開發 - 目前已知大約 105 個 恆星和褐矮星 恆星系在 20 光年內。我們對恆星的瞭解遠比圍繞它們執行的物質或它們之間的空間多，因為恆星很亮，我們可以更容易地從它們的光中收集資訊。每顆恆星都對整個銀河系和其他附近天體具有引力支配區域。據估計，這個區域是太陽質量單位的系統質量平方根的 100,000 個天文單位。恆星彼此之間都在運動，因此 20 光年內的恆星數量平均每 1150 年變化一次。該區域已知大約有二十顆行星，其中兩顆具有星周盤，但由於探測行星的難度，這些資料不完整。這些地點的設計必須等待更好的資訊，以及大量的新技術開發。

第六階段C：更遠的星際空間開發 - 我們最後一個子階段是一個佔位符，用於涵蓋可訪問宇宙的其餘部分。它從距離太陽 20 光年開始，並延伸到運輸方法所能達到的最遠距離。由於目前和近期的運輸方法遠不能達到這樣的距離，因此在未來某個時間點之前，除了運輸改進之外，對該子階段的工作將保留下來。

程式結構

為了使一個龐大而複雜的程式易於理解，我們將它分為多個細節級別，每個級別將給定部分劃分為合理數量的較小部分。在最詳細的級別，單個程式元素足夠小且簡單，可以進行設計和實現，無需進一步劃分。對於這個複雜程式的例子，我們不會將其細化到那個細節級別。首先需要完成概念設計和初步設計，而這些工作尚未完成，並且這本維基百科沒有足夠的空間包含所有資訊。相反，我們將介紹前幾個級別以及定義其元素的過程，並理解未來的工作可以在較低級別使用類似的過程。

第一級：程式

最上層是我們的整個程式。在這裡定義了總體目標和目標，並與文明的其他部分進行了最高級別的互動。還將做出決策，以實施部分或全部程式，而不是保留已有的進度和計劃。更改比保留現有內容需要更多工作。因此，新程式必須足夠好才能激勵人們做出改變。這需要開發所需的想法和技術，並教育人們瞭解它們為何更好。我們將現有的內容稱為 現有基線。例如，在空間發射中，這將包括已投入運營的火箭，以及已獲得資金並正在開發的新火箭。對於工廠生產來說，這將包括目前運營的工廠以及建設新工廠的最新技術。我們的程式尚未開發到足以推薦實施的程度，但我們認為它具有巨大的潛力。這是迄今為止推動我們工作的動力，我們希望繼續進行下去，直到我們能夠對它進行推薦或反對。

第二級：階段

程式的第二級包括上述以及第四部分後面部分中描述的主要程式階段和子階段。這些階段繼承了最高級別目標和目標的一部分，使得所有階段加在一起都能滿足所有目標。較早階段及其部分可能只滿足部分目標，或者在較低的效能級別，目的是在以後升級和擴充套件覆蓋範圍。早期設計過程的一部分是指定每個階段將完成什麼目標和效能級別，以及實現這些目標的時間。由於這些階段在其他地方有更詳細的介紹，因此我們不會在此重複這些資訊。

第三級：專案

每個階段可以包含一個或多個專案。這些專案旨在完成一項任務或實現一個目標。例如，種子工廠專案已經啟動，旨在設計和測試原型系統，以驗證自擴充套件生產的想法。該專案是零階段：研發的一部分。假設的“漂浮城市專案”將是第三階段的一部分，因為海洋環境惡劣或極端。

第四級：位置

該專案旨在升級和擴充套件文明，其理由如上述專案目標部分所述。總體方法是在特定位置建立，新增功能性元素，以實現內部增長和有用輸出。每個位置都能夠自給自足，並與之前的位置以及文明的其他部分進行互動。噹噹前位置的容量累積到一定程度時，它們可以向新的位置提供啟動元素。啟動套裝隨後重複增長和有用輸出的迴圈。無法本地製造的零件和材料將從之前的位置運送。位置的定義基於人流和散裝貨物內部本地運輸的便利性。例如，一個圍繞城市的都市區，各部分之間的旅行時間不超過兩個小時，並且擁有良好的道路網路。位置之間的運輸將發生，但時間和成本的增加會使其頻率降低，最好用於高價值、低質量的物品。因此，您可以將一臺電腦運送到遠方，但您不希望運送一卡車的碎石到那麼遠的地方。

在未開發、困難或極端環境以及太空中的位置，可能最初比城市要小得多。這是因為缺乏道路和機場等運輸系統，以及與下一個位置的距離較遠。在發達地區，專案位置的總體規模通常與都市區相當，但不包括該區域的所有內容。它只涉及位於那裡的專案特定人員和裝置。他們與周圍的非專案區域和其他專案位置進行互動。

第 5 級：功能

單個位置的下一級是其執行的功能。整個文明共享著共同的功能，例如防風雨、供應食物和飲料、製造零件以及將它們組裝成有用物品。例如，餐具和 CNC 雷射切割機從一個位置到另一個位置可能大同小異。因此，我們不必為每個位置設計獨特的元素。相反，我們可以識別需要在該位置執行的功能，然後根據需要複製現有設計或修改它們以滿足需求。每個功能，例如從庫存材料中切割零件，都有輸入，如電力和製作零件的指令，以及輸出，如成品零件和未使用的廢料。這些輸入和輸出將功能彼此連線，並連線到程式邊界之外。功能及其連線可以用不同的方式顯示，例如圖 4.1-3 中的示例圖。

由於文明共享著共同的功能，而這些功能在它們之間共享著共同的連線，因此我們可以定義一個適用於當前文明現有元素和我們專案新元素的**參考架構**。這使得更容易比較已有的東西和新東西，並且避免了每次都必須定義新位置組織的麻煩。特定位置可能只包含一部分共同功能，尤其是在新位置時。位置可以隨著時間的推移而發展，新增新的功能。整個專案也會隨著時間的推移而發展，新增新的功能並升級現有的功能。

更深層次

功能可以細分為更詳細的功能，然後設計系統和特定元素來執行這些功能。這項工作屬於各個工程領域。對於空間系統，本書的前面部分描述了一些方法和概念。對於其他型別的系統，我們將讀者引導到大量的技術文獻。出於篇幅和時間的考慮，我們目前的工作不會涵蓋如此詳細的層面，但我們會注意到，最終需要它來實施實際專案。