第 4.8 節：第 4 階段 - 軌道開發（續）

目前，第 4 階段的剩餘部分（4D、E 和 F）尚未完全開發，無法專門為它們分配完整的章節。暫時，我們將把我們對這些專案階段的早期想法集中在一起，在一個地方，等待進一步的概念探索工作。

第 4 階段的早期部分涵蓋了圍繞地球的低軌道（第 4A 階段）和高軌道（第 4B 階段）區域的開發，以及圍繞太陽的內行星際區域（第 4C 階段），距離太陽 1.8 個天文單位。這些內容在本書的第 4.5 節至第 4.7 節中已有描述。這三個區域是距離地球最近且最容易到達的區域，因此我們預計它們將首先開始開發。剩下的三個軌道區域涵蓋了距離太陽越來越遠的區域：第 4D 階段 - 主帶和小行星帶，第 4E 階段 - 外行星際，以及第 4F 階段 - 散佈、希爾德和小行星帶。這些區域是未來的發展目標，因此我們對它們的認識還不夠深入。

第 4D 階段 - 主帶和小行星帶開發

第一顆已知的小行星，穀神星 (矮行星)，恰巧是在 19 世紀的第一天 - 1801 年 1 月 1 日被發現。在那個世紀裡，又發現了 462 顆小行星，到 1951 年，數量已達到 2158 顆。從那時起，更大的望遠鏡、電子感測器和自動分析極大地增加了已知的小行星數量。到 1995 年，數量達到 28000 顆，到 2005 年達到 280000 顆，到 2017 年達到 750000 顆，並且仍在快速增加（圖 4.n-1）。它們的位置最初集中在我們現在稱為火星和木星之間的小行星帶。現在已知小行星存在於整個太陽系，從水星軌道內部到遠超海王星。從數量上來說，大多數小行星仍然位於主帶，但這可能是觀測偏差。距離太陽較遠的小行星更暗淡，因此我們往往只能找到較大的小行星。距離太陽較近的小行星很難看到，因為太陽本身會造成干擾，而且我們看到的是它們未被照亮的一側。

雖然小行星存在於太陽系的各個地方，但出於專案目的，我們將它們根據與太陽的距離分為四個區域，每個區域一個階段。這是因為太陽輻射通量、溫度和其他環境引數的變化，以及平均成分的差異。這些特徵將推動每個區域的設計。主帶和小行星帶區域的開發是第 4C 階段內行星際區域工作的延伸，由於距離地球更近，因此開發工作開始得更早。這兩個區域都有軌道偏心率範圍很廣的物體（圖 4.n-2）。因此，每個物體與太陽的距離都不同，並且整體軌道重疊，使區域邊界變得模糊。我們為該區域設定了一個內邊界，位於火星之外，半長軸為 1.8 個天文單位，主帶小行星的密度在此明顯增加，外邊界為 5.4 個天文單位，木星特洛伊群的密度在此下降。這是一個任意選擇，但它包括了大量在類似環境中執行的小型天體。因此，我們可以為整個區域開發一組共享的設計。

區域特徵

該區域包括主帶小行星，核心區域位於 2.1 到 3.3 個天文單位之間，小行星密度最高。它還包括希爾德群，它們與木星處於 3:2 共振狀態。它們的軌道距離太陽 3.7 到 4.2 個天文單位。最後的主要群是木星特洛伊小行星，它們佔據了木星前方和後方的拉格朗日點。它們的平均距離與木星相同，在 5.2 ± 0.15 個天文單位的範圍內。該區域總人口中只有一小部分不屬於這些主要群體。該區域不包括木星本身，也不包括距離該行星 2000 萬公里以內的軌道（見下文第 5D 階段）。

歷史上，小行星和彗星被認為是截然不同的天體。現在我們知道，一些天體實際上是失去大部分揮發物的彗星，現在看起來像小行星。一些被認定為小行星的天體仍在釋放蒸汽，其中最突出的是最大的天體穀神星。因此，將該區域的所有小型天體視為單一類別是合理的，它們具有多種成分和太陽距離。我們將使用“小行星”來指代所有這些天體，因為它們的數量要多得多。傳統上被稱為短週期彗星的天體，它們的半長軸在 1.8 到 5.4 個天文單位之間，也被列入我們的“小行星”類別中，但它們只佔總人口的 0.1%。

小行星的大小從穀神星的 945 公里直徑（現在被歸類為矮行星）到亞毫米級的行星際塵埃不等。塵埃成分是短暫的，在該區域的總質量中所佔比例很小。大約每秒有 100 萬噸太陽風粒子以高速流過該區域，但流速非常稀疏，約為每平方公里每秒 1 納克。該區域的總質量約為 3 x 10¹⁸ 噸，相當於地球目前總採礦產量的 1600 萬年。所有這些資源都可供有決心的採礦活動利用，因為小行星上的低重力導致地下岩石壓力較低。大約一半的總質量集中在四個最大的天體中：穀神星 (1)、灶神星 (4)、智神星 (2) 和健神星 (10)。

小行星的成分差異很大，這是由於它們的形成和歷史不同（DeMeo，2015）。透過光譜觀測和隕石的檢驗，其中許多隕石是小行星的碎片，我們可以識別出多種成分型別。然而，只有少數小行星被探測器訪問過，因此在大多數情況下，它們成分的詳細驗證還有待進行。

從最大的天體穀神星到達軌道的速度僅為每秒 270 米，或相當於地球上所需動能的 860 分之一。因此，一旦你靠近這些小行星，就能很容易地將它們上的物質運輸出去。主要耗能部分是改變繞太陽的軌道，以到達它們。該區域全天候都能獲得太陽能，除了小行星周圍和表面的陰影區域。強度為地球附近強度的 31% 到 3.4%。對於黑色物體，環境溫度在 244 到 217K（-29 到 -56C）之間，而對於淺色物體則更低。從地球到該區域的旅行時間通常需要數年時間，採用的是能耗最小的軌道，對無防護的人員來說輻射水平很高，甚至可能致命。從地球到該區域的通訊時間往返需要 13 到 120 分鐘，包括在需要時進行中繼，以避免直接穿過太陽。

開發專案

目前，該區域幾乎沒有航天器，因此大多數用途都屬於未來。豐富的多樣化成分的原材料，以及充足的能量（如果集中起來），將使採礦成為早期活動。原材料將首先運往之前開發的區域，這些區域更發達，太陽強度更高，可以進行進一步加工。當條件允許時，種子工廠可以幫助啟動全面的當地產業，並最終實現大規模居住。該區域擁有足夠的原材料和能量來支撐一個完整的文明。

該區域最大的天體是矮行星穀神星 (矮行星)。赤道軌道速度為每秒 359 米，赤道自轉速度為每秒 94 米。因此，到達軌道需要每秒 265 米的淨速度。這種速度可以透過輕型鋼製離心機實現，並且可以使用任何先進材料輕鬆實現。因此，從其他任何主帶小行星（都比穀神星小）上發射散裝材料都不需要任何火箭推進。穀神星上的 1g 天鉤半徑將為 7 公里，允許機組人員和裝置在低加速度下著陸和起飛，並且維持軌道所需的反應質量成本為淨質量流的 0.5%。因此，任何小行星的表面進入都不應該很困難。對於較小的天體，操作更像是零重力狀態下的對接，而不是從軌道著陸。

對於較小的天體來說，留在其表面比上上下下更困難。例如，按直徑排列的第 35 大天體是 **9 彌提斯**，赤道半徑為 170 公里，質量為 1.47 × 10¹⁹ 千克。這使得其表面重力為 0.034 米/秒²（地球的 0.34%）。自轉週期為 5.08 小時，自轉速度為 58.4 米/秒，赤道上的離心加速度為 0.020 米/秒²。因此，淨有效重力僅為 0.014 米/秒（地球重力的 0.14%）。實際上，軌道速度為 76.0 米/秒，因此只需要額外增加 17.6 米/秒（39 英里/小時）的速度即可進入軌道。因此，人類或低速機械可以將物體拋入軌道，並且需要牢固的固定方法以防止裝置意外移動。

生產

該區域的內部區域有足夠的陽光供太陽能電池板直接發電。在外部區域，太陽能電池板將受益於反射器來增加光強度。集中式反射器可以在所有距離產生高溫，用於工業流程或加熱棲息地。隨著你遠離太陽，所需的反射器數量越來越多，但在零重力環境中沒有天氣，它們本身的質量很低。請注意，該區域可用的總太陽能數量不超過內行星際區域，等於太陽的總輸出功率，即 3.83 × 10²⁶ 瓦特。它是相同的總太陽能通量，只是隨著距離的增加而更分散。區別在於主帶和特洛伊區域擁有比內行星際區域更多的原材料。

小行星通常覆蓋著大小不一的岩石和塵埃混合物。這是它們一生中反覆受到撞擊以及對鬆散軌道物質的引力吸引的結果。事實上，一些小行星的密度如此之低，以至於它們一定是“礫石堆”，沒有堅實的中心體。鬆散的物質使表面開採變得容易，但同時大多數小行星都很小。岩石和塵埃很容易被擾動，並可能成為採礦和生產作業的危險。因此，必須注意如何小心地移除物質，而不會造成過多的干擾。然後，它們被拖船或轉移到附近的加工廠，遠離任何產生的塵埃雲。對於大型作業，可以在整個小行星周圍建造一個充氣或組裝的殼體，以防止塵埃擴散。然後，加工裝置可以連線到殼體的外部，並持續不斷地輸送材料，直到小行星被消耗殆盡。由於塵埃和碎片被包含在內，因此可以使用更強烈的開採方法。由於小行星的大小和型別相似，因此應早些時候為內行星際區域開發開採和加工方法。唯一的區別是主帶和特洛伊區域中一些天體的尺寸更大，使其重力足夠大，在設計中需要考慮。

居住

該區域的棲息地可以從先前區域的未修改設計開始，除了增加反射器來提高功率和保持溫暖。早期單元可以從內部區域整體交付，並隨著時間的推移逐漸移至該區域。由於持續可以從附近的小行星獲取補給，因此無需一次性交付全部補給。一旦到達一個好的位置，例如繞著穀神星軌道執行，早期棲息地就可以透過製造和組裝更大棲息地的結構部件來擴充套件，然後形成一系列越來越大的外殼。穀神星位於主帶最密集區域的中心，因此前往附近不同成分小行星的補給旅行將相對容易。這使其成為開始該區域大規模發展的理想地點。

運輸

該區域可以使用與內行星際區域相同的方法進行運輸。主要區別是向太陽能電池板新增反射器，或向熱能發電裝置新增更大的反射器，以彌補較低的太陽光強度。離心式運輸中心對於將散裝貨物注入轉移軌道來說，效率更高，因為它們執行脈衝轉移而不是螺旋軌道。如果一顆大型小行星吸收了反作用力，它們也不需要推進劑來發送貨物。

服務

該區域的首批服務功能將是通訊、科學探索和勘探，以詳細地確定和定義可用資源。其他服務將在以後確定。

第 4E 階段 - 外太陽系開發

外太陽系區域是繼內行星際（第 4C 階段）和主帶與特洛伊（第 4D 階段）之後開始開發的第三個區域。它是物理距離上的下一個區域，涵蓋半長軸從 5.4 到 50 個天文單位的軌道。它不包括土星、天王星和海王星等主要行星及其衛星以及圍繞每顆行星的軌道區域，這些區域被歸類為第 5E 階段。截至 2017 年，只有少數航天器到達該區域，大多數航天器都指向主要行星和冥王星，因此該區域基本上未被探索。我們迄今為止的大部分資訊來自地球或地球附近的天文觀測。

區域特徵

該區域發現的第一個天體是矮行星 **134340 冥王星**，發現於 1930 年。截至 2017 年底，已知天體數量已增長至 **半人馬** 類群（圖 4.n-3）中的約 275 個，以及 **柯伊伯帶** 類群（圖 4.n-4）中超過海王星的近 1800 個。半人馬小行星的軌道位於或穿過了四顆氣態巨行星（包括木星）的軌道。這使得它們的軌道不穩定，壽命短暫。海王星外天體類群整體上大部分或全部時間都位於比海王星更遠的地方，因此它們的軌道更加穩定。從 30 到 50 個天文單位的海王星外天體類群的內部區域包含大量天體，被稱為柯伊伯帶。此外，該區域還有大約 20 個已知 **特洛伊** 天體，它們的軌道與外氣態巨行星（主要是海王星）的軌道相關聯，以及大約 240 顆該區域的短週期和長週期彗星。

為了我們的目的，我們將該區域的小行星和彗星歸為一類，它們形成一個軌道和成分各不相同的連續天體範圍。彗星的特點是，有時它們會足夠靠近太陽，從而活躍地失去氣體和塵埃。從歷史上看，這使得它們很容易被發現。但在其他時候，它們就像小行星一樣不活躍，保持著更加穩定的距離。現有的望遠鏡很難找到直徑小於 10 公里的該區域的不活躍天體，因此我們的統計資料不完整，並且仍在不斷增加。

該區域約有六個已知天體（冥王星、妊神星、鳥神星、厄里斯、誇歐爾和瓦爾達）足夠大，可以被認為是矮行星，估計大約有 675 個天體直徑大於 100 公里。該區域的總質量估計為 240-600 × 10¹⁸ 噸（地球的 4-10%），這是一個非常龐大的總可用材料量。除了最大天體更深的部分外，理論上大多數材料都是可以獲取的。由於重力和密度通常較低，因此地表壓力對於開採作業來說不是太高，內部溫度可能也不太高，不會造成問題。半人馬小行星可能由混合成分組成。由於它們的軌道不穩定，它們最初來自其他地方，那裡的形成條件不同。在其中一些天體上已經探測到水冰和碳化合物。

木星以外的整個區域都在 **霜線** 之外，即原始太陽星雲中水冰能夠凝結的距離。因此，該區域存在大量水，以及其他冰，例如甲烷、氨和氮，存在於外部區域，那裡的當地溫度足夠低，使它們也能凝結。自太陽系形成以來，不透明的太陽星雲已經消散，太陽逐漸變亮，增加了給定距離處的溫度。因此，最初穩定的表面物質已經蒸發了。它們可以在天體的深處存活至今。自形成以來的軌道變化也會影響這些天體中剩餘的物質。更大的天體在形成過程中經歷過衝擊加熱，並在之後經歷過放射性加熱。這導致它們按密度分離成不同的層。理論上，金屬和岩石物質會集中在中心附近，冰物質會集中在表面附近。較小的撞擊以及暴露於太陽紫外線和其他輻射可能會改變表面層。由於對這些天體的近距離探索很少，我們目前只能進行概括性的描述。在開始使用該區域的材料並開始當地開發之前，還需要進行更多的探索和勘探。

冥王星的逃逸速度為 1.2 公里/秒，對於較小的天體來說更低。這在機械運輸的範圍內。從地球到達該區域外圍部分的最小速度接近太陽系逃逸速度，即 12 公里/秒。這樣的軌道將需要 60 多年時間，因此使用更多能量的更快運輸方式是可取的。因此，利用該區域的主要能源成本就是首次到達該區域。需要藉助引力彈弓和先進的推進技術，才能在合理的時間內到達該區域，否則需要付出很多耐心。

可用總太陽能與前兩個區域相同，即太陽的總輸出功率。然而，單位面積的強度很低，僅為地球軌道值的 3.4% 到 0.04%。這將需要大型反射器來增加強度，或者使用核能或其他能源。環境溫度非常低，黑色物體為 217 到 70K，而顏色較淺的物體則更低。從地球到那裡的旅行時間通常需要數年。未受保護的輻射水平對人體來說很高，有時甚至致命，並且長時間會損壞裝置。往返通訊時間在直接路徑上為 1.2 到 13.6 小時，如果需要中繼以避免太陽，則略高。

開發專案

由於目前的技術，這個區域可能太遠了，無法進行除科學探索以外的活動。當文明擴充套件到之前區域，並且擁有更好的技術時，第一個用途可能是開採大量的原材料。這些原材料將被帶回內層區域，在那裡有更高的能量密度來加工它們，並將其用於其他活動。低溫與密度分類的結合使各種冰成為最容易獲得的早期資源。該區域的利用在未來相當遙遠，技術很可能在預想不到的方向上得到顯著提升。因此，我們針對該區域提出的任何概念都應視為非常初步的，並可能發生變化。

生產

除開採外，我們預計該區域不會出現大量生產，直到技術顯著提升。諸如水和氮氣之類的冰對人類非常有用，並且在該區域大量存在。因此，一旦有足夠的需求，開採和運輸到內層區域就成為可能。運輸速度很慢，需要數年時間，因此有動力建立一個運輸貨物“管道”，兩端都有車輛來設定航線和在終點收集貨物。貨物可以在運輸過程中無人看管，節省了車輛時間。一旦管道裝滿，貨物就會定期到達。如果聚變技術得到充分發展，可能會形成一個基於聚變的經濟體，實現全面生產和居住。我們沒有看到一個強烈的理由要住在這麼遙遠的地方，而不是留在溫暖明亮的內層區域，但這樣的理由可能會出現。

柯伊伯帶和更遠區域面臨的一個挑戰是如何提供足夠的太陽能來運作。地球上的文明消耗大約 2.7 千瓦/人，我們預計太空位置的數字會更高，這既是由於更高的生活水平，也是因為需要人為地完成地球上自然過程所處理的事情。假設我們需要 20 千瓦/人，系統質量是國際空間站的兩倍，即 150 噸/人，其中一半用於太陽能收集。如果使用 1 微米厚的鎂鋁反射器來集中陽光，它們的質量將為 2.4 噸/平方公里。因此，我們每人最多可以使用 31.25 平方公里的反射器。為了獲得 20 千瓦的淨功率，效率為 1/3，我們需要 60 千瓦的陽光。在地球上，太陽能通量為 1.361 千瓦/平方米，因此我們需要 44 平方米。由於我們允許使用這個面積的 711,500 倍，並且太陽能通量隨距離的平方反比下降，因此我們可以將足夠的太陽能提供到 843.5 天文單位，這是一個令人驚訝的大距離。超過這個距離，操作將僅限於低功率情況，或者需要其他來源，例如核能或束能。

居住

[待定]

運輸

由於該區域的陽光微弱，我們預計核動力推進和來自大型天體的引力輔助將成為主要的移動方式。如果核聚變尚未得到充分發展，裂變將是唯一可用的核源。地球和月球上的適合放射性元素的供應量是有限的。為了補充這些元素，可以在太陽附近產生人造放射性元素，那裡豐富的能量可以為加速器提供動力，將非放射性起始材料轉化為放射性元素。如果核聚變技術得到充分發展，該區域將有豐富的氫，可以從中提取聚變燃料。隨著與太陽的距離增加，軌道速度以及所需的軌道速度變化將隨距離的平方根下降。太陽能通量下降得更快，與距離的平方成反比。因此，太陽帆作為運輸方式的效率將低於更靠近區域。

服務

[待定]

概念細節

我們注意到該區域外圍的一個大型天體 **136108 妊神星** 的一些特徵。妊神星的質量足夠大，可以處於流體靜力平衡狀態，因此被歸類為矮行星。但是，短自轉週期（3.9155 小時）意味著它不是圓形的，而是橢圓形的，長軸約為短軸的兩倍。長端處的圓形軌道速度約為 527 米/秒，而端點本身的旋轉速度約為 428 米/秒。因此，僅需要約 99 米/秒的速度變化即可著陸或從它起飛，這是太陽系大型天體中最低的數字之一。如果妊神星保留任何形式的大氣層，它往往會形成一個環繞短軸的婚戒狀環。引力也會從長端到短軸發生顯著變化。

第四階段 F - 離散盤、希爾士雲和奧爾特雲的發展

柯伊伯帶以外的廣闊空間是開始開發的第四個也是最後一個星際區域。它包括半長軸從 50 天文單位到太陽引力支配範圍的極限（我們將其設定為 100,000 天文單位）的軌道。雖然它涵蓋了巨大的距離範圍，但從地球上測量時，它的能量範圍很小，佔達到太陽逃逸速度的最後 2%。到 2017 年，只有四艘宇宙飛船在完成更靠近的初級任務後進入該區域，第五艘將在幾年內進入該區域。因此，我們幾乎所有資訊都來自地球及其附近的觀測。

區域特徵

長週期彗星 和 近拋物線彗星 的軌道足夠大，可以算在這個區域內，自古以來就可見。確定它們的軌道實際上如此之大，必須等到軌道力學和更好的望遠鏡的發展。活躍的彗星在靠近太陽時很容易看到。它們在被加熱時會釋放大量氣體和塵埃，形成一個彗發和彗尾，可以延伸數百萬公里。當遠離太陽時，它們是寒冷、黑暗和惰性的，因此很難找到。因此，該區域中第一個不是活躍彗星的天體 **(48639) 1995 TL8** 直到 1995 年才被發現，而且是因為它相對較大——主體的直徑約為 350 公里，衛星的直徑約為 160 公里。

該區域中已知的天體數量（截至 2017 年後期）包括 100 顆長週期彗星和 420 顆近拋物線彗星，以及 440 顆 離散盤天體，它們的軌道完全位於海王星之外，因此相對穩定。它們的名字來源於被主要行星從太陽星雲中更靠近的軌道散射出來，在那裡它們形成。四個已知天體的最大距離大於 2000 天文單位。這將它們置於希爾士雲中，其軌道的遠日點範圍為 2000 到 10,000 天文單位。推測這是一個巨大的天體庫，被太陽形成時的星團中經過的恆星所散射得更遠。超過這個範圍是奧爾特雲，它在半長軸上延伸到 100,000 天文單位。我們根據已知近拋物線彗星的軌道，間接地證明了最外層區域存在一個龐大的人口。奧爾特雲天體距離太陽足夠遠，會受到銀河潮汐和經過的恆星以及巨型氣體雲的影響。這些力量有時會使它們靠近太陽，在那裡我們看到它們是活躍的彗星。

我們目前檢測所有這些遙遠天體的能力僅限於那些目前距離太陽約 80 天文單位以內的大型天體。因此，我們在過去 20 年中的發現來自該區域中軌道最接近距離（近日點）小於 80 天文單位，並且恰好接近該最小距離的天體。由於在更大距離處軌道速度較低，具有高偏心率軌道的那些天體大部分時間都太遠而無法看到。那些以更圓形的軌道執行的，距離太陽超過 80 天文單位的天體，今天根本無法找到，直徑小於 15 公里的天體也無法找到。因此，我們預計隨著儀器的改進，將在該區域中發現更多倍的天體。

目前，該區域的總質量知之甚少，但估計為地球質量的 4-80 倍，這是一個巨大的物質儲藏庫。這個總數包括一個疑似但尚未發現的第九顆行星，其可能的質量在海王星的範圍內（約為地球質量的 15 倍）。由於彗星來自該區域，並且它們蒸發的氣體和塵埃很容易被觀測到，因此我們對該區域的成分有合理的瞭解，即使我們無法直接觀察到大部分物質。該區域最有可能由水、其他冰、複雜的碳化合物以及一些較重的礦物顆粒組成。大約 4% 的物質可能起源於太陽系的內部區域，因此比揮發性化合物更岩石或金屬。該區域的太陽能非常微弱，不到地球附近太陽能的 0.04%，環境溫度低於 70K，下降到接近 2.7K。使用當前的推進技術，旅行時間需要數年甚至數百年。往返通訊時間從 14 小時到 3 年不等。這些因素以及到達那裡所需的軌道能量使得到達和在該區域工作變得困難，儘管那裡可能存在大量物質。

開發專案

我們沒有足夠的資訊來詳細規劃該區域的物體，而且它們離我們太遠，無法用當前的技術進行訪問。因此，除了科學和探索之外的任何事項都被推遲到未來，那時需要更多資源和更先進的技術。然而，當那一天到來時，該區域將提供一個非常巨大的材料儲備，可以用於各種用途。

生產

我們已經在第 4E 階段的生產部分證明，即使在距離太陽 1000 AU 的地方，也有足夠的太陽能來維持生產和居住。在那之外，可能需要核能或能量束來源。目前，除了物質提取之外的生產仍然是推測性的。

居住

[待定]

運輸

為了將運輸時間縮短到合理水平，需要非常高能量的推進系統，例如核聚變。由於聚變所需的輕元素在這些外部區域很常見，因此一旦建立，它可以自我供能。不幸的是，聚變目前還不是一項可行的技術，因此使用它的運輸仍然是推測性的。

服務

[待定]