第 5.1 節：人類擴充套件的概念設計
一個設計良好的專案生命週期中的第一個階段是概念設計。該階段的目標是確定要滿足的需求、要使用的選擇標準、主要系統元素的初始概念，以及如何構建、操作、維護和處置它們。構建新系統的替代方案是無所作為，或繼續現有專案和計劃。因此，我們將系統概念與這些替代方案進行對比，並決定是繼續前進還是停止。我們使用之前選擇的選擇標準來完成此操作。
以我們示例專案為例，我們首先從一般目標出發，說明其動機，並給出可能導致其與當前太空計劃發生改變的原因。並非所有目標對每個人或每個組織都具有同等重要性。只要有足夠多的目標適用於他們，他們就會有理由支援該專案。在目標之後，我們以一般性術語描述我們的設計方法。第 4 部分的其餘部分將更詳細地介紹設計過程和結果。
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概念設計
概念設計是專案或系統生命週期中的第一個階段。我們確定要滿足的需求和目標、在設計之間進行選擇時要使用的標準，以及對專案主要部分的設計概念，包括如何構建、操作、維護以及在生命週期結束時處置它們。我們使用相同的選擇標準將新專案與現有專案進行比較。如果新專案按照這些衡量標準“更好”，我們建議進入下一個設計階段。如果它沒有更好，那麼我們就停止，等待情況或技術發生變化，或者嘗試設計其他概念。我們的推理、計算和決定的全部細節過於冗長，無法在此討論中包含。我們將在此處對其進行概括，並請讀者參考完整的 人類擴充套件設計研究 以獲取詳細資訊。
概念設計的一般流程從一般性描述和目標開始，這些將在下一節中說明。在此之後，我們將執行分析步驟，將這些目標發展成更詳細和量化的陳述。目前，這已針對專案需求和評估標準完成。定義更詳細專案元素的功能分析已開始，概念設計過程的後續部分尚未完善。滿足專案元素的候選設計在第 4 部分的其餘部分中進行了整理。應將其視為可能適合整體專案的片段，但尚未連結或單獨完成。
我們首先確定我們專案的客戶是誰，以及他們的需求是什麼。任何涉及許多人的專案都需要充分的動機，說明為什麼要這樣做，而不是無所作為或繼續當前正在進行的專案。如果您完全獨自構建系統，那麼“我想這樣做”就足夠了，但是對於大型系統而言，您通常需要說服最終客戶和開發人員它的價值。動機可以用一般目標、財務利益、簡單效率，甚至“我有一把槍，要麼這樣做，要麼死”來表達，對於極權主義社會而言，但這些動機必須以某種形式存在。當最終客戶沒有意識到專案的價值時，他們需要被告知，最好不是在槍口下。因此，除了技術結果外，還需要考慮如何格式化和交付結果。
客戶與設計師 - 客戶可以是內部的，也可以是外部的。前者是指同一組織既是使用者又是系統的設計師。後者是大型系統中更常見的情況，其中設計專家為除他們自己以外的其他實體開發系統。對於我們未來的專案，我們必須問誰在設定專案目標，因此是客戶，誰在做設計工作？目前，兩者實際上都是本頁面的編輯，但我們將假設一個非營利基金會將繼續使用開源方法進行初始設計工作。作為一個基金會，他們將為整個文明設定目標，並將他們工作的結果公開發布。假設獲得了足夠好的結果，那麼為後續研究、商業實體的啟動或政府資金的促進籌集資金將用於後續階段。因此，最終客戶是整個文明，而設計師是開源非營利基金會的一部分。目前，這是本開源書籍的維基媒體基金會編輯，但這可能會在以後過渡到一個專門的組織。
客戶接受 - 有些人或群體會受到新專案的負面影響，尤其是那些與舊的現有專案相關的人。其他人根本不喜歡改變，或者對新方法或未經驗證方法的風險感到厭惡。還有一些人對特定設計有偏好或反感，而這與它們的的技術優點無關。最後，有些方法僅僅是新的和陌生的，因此沒有被考慮。系統設計師必須理解這些人的因素並做出響應，而不是假設最佳的技術答案僅僅因為它是最佳的技術答案而會被接受。
專案約束 - 除了技術設計外，還有其他外部因素，例如可用資金或技術轉讓的限制，會影響專案的程序。除了技術和人力因素外，還需要考慮這些外部因素。
人類文明希望，作為個人願望的總和，能夠長期生存，個人風險降低，物質和社會繁榮。因此，我們陳述以下個人專案目標以滿足這些願望。我們將它們分為那些使整個文明受益的目標，以及那些適用於個人或規模較小的群體目標。在概念設計階段結束時，這些目標將被細化為最終目標和具體的數值目標。
我們的地球文明應該有動機去探索、開發和擴充套件到太空，原因有很多。這些原因可以用個人目標來表達。未來的專案或計劃理想情況下可以同時滿足多個目標。
- 改善地球上的生活 - 嘗試新的和有挑戰性的事情往往會發現新的知識和開發新技術。這些發展可以首先應用於地球，以改善我們在這裡的生活，特別是在能源、資源、自動化生產和封閉生態方面。利用在地球上獲得的經驗，我們可以在太空中使用這些發展。
- 更好地瞭解地球 - 我們透過觀察地球在太空中的當前環境來更多地瞭解地球是如何工作的，因為地球不是宇宙中孤立存在的。我們也從觀察其他行星和環境以及它們的演變方式中吸取教訓。除了目前在地球軌道上的十億分之一的人類外，我們所有人都生活在地球上，更好地瞭解它是一個好主意。
- 減少來自太空的危害 - 太空中存在太陽耀斑和隕石等危害，這些危害會影響我們在地面上的生活。為了做好準備或防止這些危害，我們首先必須瞭解它們的規模和特徵，然後才能開發方法來防止或處理這些危害。
- 提高生物圈的安全性 - 目前只有一個生物圈，我們都依賴於它，它容易受到自然和人為變化的影響（冰河時代、二氧化碳變化、火山噴發）。即使是國際空間站也依賴於來自地球的食物和其他用品。從太空觀察有助於我們更好地瞭解地球的變化。從長遠來看，我們還應該建立備份生物圈，以防我們唯一的生物圈發生災難。
- 擴大物質和能源資源 - 文明需要物質和能源才能運作，地球之外存在著大量的物質和能源資源。我們可以將重工業和人口遷出地球，以減少對地球的影響。
- 長期生存 - 從長遠來看，地球註定要毀滅，因為太陽在其生命週期中會不斷變熱，最終會變成一顆紅巨星，吞噬它。在此之前很久，由於太陽隨著時間的推移會增加亮度，最終使地球過熱，它將成為生命難以生存的地方。我們的選擇是進行行星規模的工程來應對最終的熱量，或者搬到其他地方。無論哪種方式，都需要以某種方式使用太空。
除了適用於整個文明的目標外，還有一些動機適用於特定個人或群體。這些更區域性的目標可以與上面列出的更普遍的目標重疊。
- 增加選擇和自由 - 被佔領且人口相對稠密的地球在許多方面限制了選擇自由。你不能僅僅出發並開始建立自己的社群，制定自己的生活規則，因為地球上的所有土地面積已經被某個政府宣稱所有權，並且在他們的規則下執行。危險或骯髒的實驗，無論其科學價值如何，都必須受到限制，有些實驗，比如地球改造，根本無法在地球上進行。至少在開始時，太空是無人居住的，在很長一段時間內都不會擁擠，所以地球上的限制將會解除。太空會因環境和資源而施加它自己的限制，但至少這些限制將是不同的。這擴大了可用選擇的總範圍。
- 增加機會 - 與地球不同，地球上幾乎所有東西都被別人佔有，太空中有許多未被佔有的資源。缺乏來自先前所有者的收購成本意味著獲得財富的機會更廣闊，但當然並不能保證。每個人的可用太空資源的比例將從一開始就很高，部分原因是最初的人不會很多，但也因為太空中的物質和能量的絕對數量遠遠超過地球。這種相對高比例的資源可用性為那些希望行使這些機會的人創造了新的機會。
理論上，上述目標可以透過現有的太空計劃實現。因此，除了說明我們的目標及其背後的原因外，我們還必須證明為什麼新系統比僅僅繼續目前正在進行的工作更好。這是概念設計階段結束時的預期結果。我們現在所處的位置是該階段的開始，我們只能列出迄今為止確定的潛在效益。以後可能會發現其他效益，而下面列出的一些效益可能在概念進一步發展後不再有利。
如果我們堅持現有的計劃，我們將獲得現有的計劃成本。計劃成本包括正在開發的系統的未來預計成本降低。新系統有可能實現更低的成本。以下論點表明潛在的收益非常大。因此，應檢查新系統，以確定它們是否能夠真正達到該潛力的某個部分。這隻有透過考慮所有成本要素的足夠詳細的設計才能實現。
- 現有計劃的成本遠高於可能實現的成本
儘管政府和私營企業在太空專案上投入了數百億美元，但我們只設法將大約 1000 顆有用的衛星送入軌道，並在太空中讓六個人工作。這是因為過去的計劃的發射成本以其重量計，相當於貴金屬的價格。例如，Atlas V 被列為以 1.1 億美元將 20 噸送入地球軌道。5,500 美元/公斤的成本相當於每盎司 171 美元，而 2012 年中旬黃金的價格為 1600 美元。新的獵鷹 9 號商業火箭將這一比例降低到 13.15 噸，價格為 5400 萬美元，或每盎司 128 美元（4,100 美元/公斤），即將推出的獵鷹重型運載火箭的製造商報價為 53 噸，價格為 8300 萬美元，或每盎司 49 美元（1,566 美元/公斤）。這與 2012 年上半年白銀的平均價格 30 美元/盎司相當。
到達地球軌道的原始能量成本約為 33 MJ 或 9.25 kWh/kg，按典型的零售電價計算，大約為 1 美元/公斤。這略高於 2012 年碳鋼的價格，或者大致相當於每公斤土豆的零售價。理論上，高效的軌道運輸應該執行數倍於原始能量成本，大約相當於乳酪或優先郵件包裹的成本。即將到來的發射成本與理論成本的比率仍然大約為 400:1，這表明還有很大的改進空間。只要發射成本以其重量計，相當於貴金屬的價格，而不是乳酪，應該很明顯，太空不會做太多事情。全球人口的十億分之一進入軌道被認為是“不太多”。
- 高成本是由發射技術造成的
傳統的火箭攜帶所有自己的燃料，無法真正便宜且高效，因為到達地球軌道的能量大約是化學火箭燃料能量的兩倍。因此，你必須燃燒大量的燃料才能將少量燃料送入軌道的一半，然後燃燒這些燃料才能將更少量的貨物送入軌道。因此，在減去燃料、燃料箱和火箭發動機後，大約 3% 的發射臺上的貨物是交付的貨物。更糟糕的是，硬體是昂貴的航空航天級硬體，通常只使用一次就被拋棄。相比之下，飛機使用相同型別的航空航天級硬體，因此建造成本大約相同/公斤。但由於效率更高（它們從空氣中獲取氧氣，而不是從油箱中獲取），因此它們攜帶更高的貨物比例，並且飛機被使用了數千次，因此每次旅行的成本大幅降低。
- 發射成本和缺乏資源利用導致總成本高昂
太空中所有其他東西的高成本部分原因是到達軌道的成本高昂，部分原因是你目前需要的所有東西都來自地面。由於運輸成本如此之高，設計師花費了大量精力透過花費更多時間細化細節，並使用更奇特但更牢固的材料來減輕貨物重量。這些額外的努力也使貨物更貴。由於最優的做法是花費資金使其變輕，直到每節省 1 公斤的成本與發射成本相同，因此貨物的成本往往與發射成本成正比。如果你降低發射成本，那麼它也會使你所攜帶的任何東西更便宜（更重）。
另一個重要的成本因素是將所有東西從地球上帶走，因此為所有東西支付運輸費用。如果你能從太空獲取一些所需物資並回收更多物資，用於完成專案或任務的運輸量將大大減少。太空中有充足的能量和物質資源，如果我們學會使用它們，其中許多資源的運輸能量將大大低於從地球上運輸。發射成本、貨物成本和從地球上帶走所有東西的組合導致了非常高的專案總成本。
- 有可能實現 20,000 倍的改進
即使是最理想的有效發射系統，仍然會產生開發和運營成本，因此不會達到原始能量成本。我們假設該成本的 4 倍，即 4 美元/公斤，是一個實際的下限。這比獵鷹重型運載火箭的報價低 400 倍。過去的研究估計，98% 的太空系統可以由當地資源製造，剩下的 2% 將是稀有或難以製造的，因此從地球運輸更經濟。這使需要交付的貨物數量減少了 50 倍。結合成本和交通改進，總共潛在改進 20,000 倍。這種水平的改進不會很快實現，甚至可能永遠不會實現，但潛力如此之大，絕對值得投入一些工程努力。可以根據目前全球每年在太空相關專案上花費的 2900 億美元來判斷值得花費多少資金來獲得改進。
- 技術衍生
為一個目的或專案開發的技術通常會在其他領域找到用途，這個過程被稱為衍生或技術轉讓。一個例子是用於醫療測試的生物晶片，它使用了為電子微電路開發的技術。雖然還有許多其他此類例子，但它們在個別案例中是不可預測的。太空專案在產生衍生技術方面並不獨特，但它們通常具有大量的研究和開發工作，因此有比平均水平更高的機會。人們一直在嘗試量化衍生效益，特別是來自美國國家航空航天局 (NASA) 計劃的衍生效益。雖然我們無法對衍生技術進行準確估值，但我們可以將其作為追求新系統而不是現有系統的部分原因進行一定程度的考慮。
當太空系統在開發時有意考慮到地球應用時，它就不再是衍生，而是設計意圖的問題。這被稱為雙重用途或多用途技術。例如，太陽能電池最初在大規模應用於為衛星供電，但現在在地球上的主要應用。
- 擴充套件市場
大幅降低太空專案的成本可以擴大現有市場，比如通訊衛星，或者開拓新的市場，比如小行星開採稀有金屬。這些金屬的供應增加和成本降低可以促進目前在經濟上不可行的金屬的新用途。因此，除了直接效益降低成本外，還應該對擴充套件或新市場在新的系統總價值中的次要影響進行一些估計。
- 對未來的樂觀
對損失的恐懼是一種比獲取機會強烈兩倍的情感。如果地球被視為一個有限的、封閉的、零和的世界，那麼對未來的恐懼就會佔據主導地位。在這種情況下，人們可能會減少冒險，試圖守住現有的東西。這種認知並非現實——從工程的角度來看，地球在能量和質量流方面是開放的。然而，即使認知不正確，它也會影響行動。一個通往開發太陽系資源的可理解路徑可以將悲觀的 worldview 轉變為充滿希望的世界觀。改變對未來的負面認知還有其他方法，例如開發經濟實惠的清潔能源。然而，太空的開放直接駁斥了地球封閉的想法。一個更加樂觀的世界可能不再那麼害怕新技術，也更願意投資於長期專案。