第 4.7 節：階段 4C - 內行星際開發
傳統上，主要行星和衛星之間的太空被認為是無用的。它們只是被儘可能快地穿過以到達“真正”的目的地，如月球或火星。這種觀點是錯誤的，並且已經過時。一直以來，人們都知道開放空間存在著大量且恆定的太陽能通量。在地球與太陽的距離上，此通量為 1361 兆瓦/平方公里，大約相當於一座大型核電站，並且太陽周圍有 281 千萬億平方公里的空間。從 1990 年到 2017 年底，已知的近地天體僅在行星際空間中就從大約 180 個增加到 17000 個，而且我們還在迅速發現更多。因此，有大量的可用資源，並且隨著人們對如何利用這些資源的新想法的出現，這些區域的廣泛使用應該是可能的。
可用的能量通量以及材料的數量和型別會隨著與太陽距離的變化而顯著變化，區域性環境引數也是如此。因此，我們根據距離將行星際空間的開發劃分為四個階段（4C、4D、4E 和 4F），並分別討論它們。其中，階段 4C - 內行星際開發最靠近太陽和地球，因此在四個階段中首先被討論。迄今為止，只有少數科學任務探索過該區域，除了用於前往其他地方的旅行之外，它沒有被其他方式使用過。
我們透過根據環境和可用資源描述該區域的特徵來開始對該階段的概念探索。然後，我們調查行業類別，以確定該區域未來潛在的活動，以及推動實施這些活動的專案。這些被組合成一種開發方法，以及按時間和功能劃分的初始專案列表。後續工作將把專案與程式的其他部分聯絡起來。對於我們已經生成更多細節和計算的專案，這些資訊包含在本節的最後一個主要部分。概念探索工作的輸出是確定此階段需要哪些準備性研究和開發。這些資訊提供給之前的階段 0I - 內行星際開發的研發，因為它必須在能夠在此階段使用之前完成。
- 內行星際特徵
這些位置脫離了地球的主導引力，而是圍繞太陽執行，儘管它們有時可能會靠近地球。它們的範圍從裝置在太陽附近能夠運作的最近距離到1.8天文單位，這正好超過火星與太陽的最大距離，也是小行星帶的起點。它不包括四顆內行星（水星、金星、地球和火星）及其周圍的近軌道。在這些軌道上，太陽能可以100%地獲得，但強度根據太陽距離的不同而變化，從地球附近的31%到許多倍不等。環境溫度也相應地從非常熱到黑暗物體的244K（-29℃）不等，對於明亮或反光的物體則更低。從地球到這些位置的旅行時間根據軌道和推進方式以及是否使用行星的引力助推而有所不同。引力助推可以節省燃料，但通常需要額外的時間。太陽和宇宙輻射是一箇中等強度的背景，偶爾會出現強度更高的耀斑/太陽粒子事件，如果沒有遮蔽，可能會達到對人類致命的程度。延遲時間從軌道穿過地球附近時的幾秒鐘到1.8天文單位時透過中繼衛星從地球到太陽另一側的45分鐘以上不等。太陽會中斷與另一側的直接通訊。
如第1.0節所述，已知有超過13500顆小行星距離小於1.3天文單位，並且在1.8天文單位範圍內還有數千顆。其中最大的直徑超過30公里，質量大約是地球上所有開採岩石的100倍。因此，總的物質資源非常巨大。小行星的軌道大小不一，通常不是圓形的，並且相對於地球軌道略微傾斜，因此到達特定小行星所需的能量也不同。時間也很重要，因為所有物體在太陽軌道上的速度都不同。高效的旅行取決於您的飛行器和目標是否在同一時間到達同一地點。小行星的成分在約十幾種光譜類別中有所不同，表明不同的化學成分。我們只對可能開採的十顆小行星進行了航天器的探測。這還不包括小行星帶中的灶神星和穀神星。因此，我們的大部分知識都來自望遠鏡觀測和檢查墜落到地球的隕石。
- 經濟用途
目前在該區域的航天器數量並不多。它們大多是過境到其他行星的科學探測器，或位於地球-太陽拉格朗日點1和2（ESL-1和ESL-2）。未來的用途可能會從小行星開採開始，並將資源運送到地球高軌道，使用電力牽引器。該區域中大多數已知的小行星都太大，無法整體移動。這更多是因為我們找不到非常小的，而不是因為它們不存在。因此，開採將涉及刮取材料或從這些較大天體的表面抓取巨石。在開採之前，勘探任務應該訪問多個候選小行星，並詳細瞭解它們的構成。隨著地球高軌道的進一步發展，除了開採牽引器外，它們還可以開始向該區域傳送裝置和種子工廠。由於有原材料和全天候的太陽能可用，種子工廠可以發展成為規模更大的工廠，並生產棲息地、車輛以及其他所需的一切。
- 星際運輸
該區域的主要運輸系統是緩慢但高效的電力牽引器。它們可以相對於自身質量牽引大量的岩石，對於10噸的飛行器和23噸的燃料，可以牽引高達1000噸的載荷，但這取決於軌道目的地和所需的速率變化。它們也可以用較輕的載荷更快地移動人員棲息地。當需要快速的速度變化時，使用化學火箭，而太陽帆可能在更緩慢地移動物體方面更有效，但在製造出大型輕質反射鏡後，則無需推進劑。隨著時間的推移，將建立一個“轉移棲息地”網路。這些棲息地被放置在重複的軌道上前往特定的目的地，從而避免每次進行多次旅行時都需要移動人員棲息地。隨著時間的推移，還可以建造離心平臺，既可以提供舒適的重力，又可以利用高效的推進實現快速的速度變化。平臺質量用作能量儲存，可以轉移到有效載荷。由於旋轉結構可以相對較大，因此它取決於大量的交通量才能在經濟上證明其合理性，以及在軌道上生產高強度材料。
- 星際生產
地球上的全球能源消耗約為18太瓦，包括開採、加工和製造約200萬公斤/秒的材料。因此，地球文明的能源強度平均為9兆焦/公斤。我們將將其翻倍以允許在太空中回收材料，並增加8公里/秒的軌道速度變化，這需要300兆焦的電力牽引器功率。這涵蓋了相當數量的星際軌道。因此，運輸是需要交付的新材料的主要能源消耗。如今，太空太陽能電池板在地球軌道上的功率為177瓦/公斤，並在20.8天內產生所需的318兆焦。鑑於在太空中平均使用壽命為15年，它們的總能量輸出是運輸自身原材料質量並維持其餘文明（包括製造替換電池板）所需的能量的260倍。集光反射鏡和核動力源尚未充分發展到足以計算太空中的能量回報率。它們可能比太陽能電池板更好或更差，但只要我們有一個已知的能量來源具有很高的回報率，我們就可以以此為基礎建立太空產業。
在星際空間中可以使用相同的方法來引導生產。這從開採出口開始，然後是當地製造的簡單產品，並逐漸引導到更復雜的產品。隨著距離的增加，從月球運來的原材料會減少，而從附近的小行星運來的會增多。這些小行星型別不同，這提供了一系列合理的材料可供使用。如果我們將自己限制在黃道平面20度以內，以保持進入行星的通道並保持較低的速度變化，那麼我們就可以獲得太陽總能量的1/3，即1.3 x 10^26瓦。這比我們目前的能源消耗高7萬億倍，這是一個如此巨大的數字，以至於很難想象它無法維持文明。
隨著圍繞地球和月球的系統網路的發展，下一步是將該網路擴充套件到火星和小行星帶。與之前一樣，遵循類似的建立種子工廠和增加設施的過程。
系統概念包含以下主要部分
- 使用自由飛行的電力推進器驅動的飛行器到達具有有用資源的新地點。
- 在每個地點建立種子工廠，以建立工業能力，包括更多飛船和用於下一個地點的種子工廠。
- 在每個地點生產燃料、生命支援用品和棲息地，以便能夠永久居住。
- 建造更多太空電梯，以提供快速的速度變化，但同時獲得電力推進的效率益處。
在之前的步驟中，我們定義了一個近地軌道（LEO）天鉤，其尖端速度為 2400 m/s。由於其軌道速度為 7474 m/s，因此在其旋轉頂端可以以總共 9,874 m/s 的速度釋放貨物。在 1,226 公里的高度，或距地球中心 7,604 公里的半徑處，標準引力引數為 398.6 x 10^12，我們得到逃逸速度為 10,239 m/s。因此，我們的近地軌道天鉤距離達到逃逸速度僅差 365 m/s。因此，近地軌道天鉤可以將貨物送入長半軸為 54,278 公里的橢圓轉移軌道，從而達到 100,952 公里的高點。
在該高度的圓形軌道速度為 1,987 m/s，轉移軌道到達速度為 743 m/s。差值為 1,244 m/s。1,500 m/s 或更高的尖端速度將允許注入火星和主小行星帶轉移軌道，以及任何更近的月球和低傾角近地小行星轉移軌道。因此，高地球軌道（HEO）天鉤可以透過選擇半徑，從而選擇速度和時間（給出釋放方向），作為到達任何所需內太陽系目標軌道的發射平臺。這個位置在地球輻射帶之外，但它也未受到地球磁層對太陽和宇宙輻射的保護。因此，人類棲息地需要輻射遮蔽。從月球或近地小行星到達如此高的軌道相對容易，因此遮蔽的散裝物質可能來自這些來源之一。
建造順序將從獲取近地軌道小行星材料並將其放置在高軌道以及從地球運送裝置開始。一旦建立了加工廠、工廠和棲息地，就會使用碳質小行星中的碳來製造用於天鉤的碳纖維。初始速度能力不會那麼高，因此需要更多的車輛推進，但隨著天鉤的增長，它可以到達更廣泛的軌道。動量變化不是免費的，因此天鉤將需要大量的電源和推進器裝置。但由於這些不需要與正在改變軌道的車輛一起攜帶，因此推進器可以根據需要變得很大和很重。
根據定義，近地天體在黃道面上的太陽軌道速度範圍有限。它們也具有一系列軌道傾角，這會導致在穿過黃道面時產生速度分量。傾角站是位於地球附近（例如月球拉格朗日點之一）並垂直於黃道面定向的第二個天鉤。因此，它可以以更少的燃料和任務時間將貨物送往和運回傾斜軌道以到達近地天體，而第一個 HEO 天鉤在黃道面上執行以到達火星和主小行星帶。此外，行星飛越可用於進一步改變軌道傾角併到達其他小行星群。站本身將對貨物軌道變化的平均值做出反應。因此，它需要一些推進才能保持位置，但這將比每輛車單獨進行軌道機動消耗更少的燃料。
如果交通量足夠大，那麼在不同的傾斜度上建立其他傾角站以產生黃道面和傾角速度變化的不同組合可能是有意義的。各種高軌道天鉤之間的速度差將非常小，並且從不到其完整半徑處釋放就足以在它們之間移動。由於它們之間的行程時間很短，因此第一個可以擁有大部分棲息地和生產設施。後面的可以主要作為中轉樞紐，而不是那麼發達。
前往近地天體或火星的轉移軌道需要以月為單位的行程時間。對於人類乘客來說，存在暴露於輻射的風險，還需要食物和生命維持。如果您期望進行多次旅行，那麼在前往這些目的地的轉移軌道上永久設定棲息地是有意義的。然後，遮蔽和溫室的質量就沒有那麼重要了，因為它們一旦建立就不會移動。乘客會在其經過地球附近時使用小型車輛在 HEO 天鉤和轉移棲息地之間穿梭，然後在棲息地內乘坐，直到靠近目的地，然後再使用小型車輛到達。由於只有乘客和貨物需要改變速度，因此每次任務轉移的總質量大大減少。
太陽系中的所有物體都相對於彼此運動，而轉移軌道只有在例如地球和火星處於正確的相對位置時才能正確對齊。因此，需要一個網路，其中包含在不同軌道上的多個轉移棲息地，才能在正確的時間將乘客和貨物運送到正確的目的地。建造棲息地的源材料主要來自軌道最接近的小行星。根據大小，將開採 NEO 以獲取材料，或者如果體積小，則將其整體移動到所需的轉移軌道。
可選地，轉移棲息地將連線一個天鉤，以增強到達或離開車輛的增量速度變化。這也為棲息地提供了人造重力環境。如果未提供，則棲息地的一部分將旋轉以產生人造重力。是否使用天鉤將需要對完整的運輸網路進行更詳細的分析。
當棲息地沒有將乘客運送到火星時，它們正在開採近棲息地小行星。就像有一組軌道“靠近地球”的小行星，因此易於開採一樣，還將有一組不同的軌道靠近任何給定的轉移棲息地軌道。因此，您可以忙於生產燃料，建立製造業，並最終在那裡建立一個太空城市，只是碰巧定期靠近火星。當它靠近時，您會在火衛一上放下人類和累積的硬體，您也在那裡建立設施，然後繼續前往火星本身。
由於我們從地球開始，因此我們希望棲息地定期經過地球。如果我們將軌道週期設定為 1.50 年，它將在每兩次軌道中經過一次。軌道將是橢圓形，長軸將為 2.62 AU。如果軌道的近地點在地球（1.00 AU），則遠地點將為 1.62 AU，略微超過火星的平均距離（1.52 AU）。需要超過地球軌道 3,340 m/s 的速度變化才能到達此軌道。這來自 HEO 天鉤、月球引力輔助、運載人員和貨物在各點之間轉移的飛行器推進以及可能在轉移棲息地上的天鉤的組合。棲息地將每 7.5 年與火星對齊一次，並且在該端需要 4,440 m/s 的速度變化以匹配軌道。同樣，這將使用推進的組合，包括火星引力輔助。在早期的旅行中，轉移車輛需要做更多的工作，但後來火星軌道天鉤可以承擔更多速度變化。
由於每 7.5 年一次並不頻繁，因此您可以將多個棲息地放置在給定的軌道路徑中，並在其近地點使用在圍繞地球軌道均勻分佈的多個軌道路徑。這將提供更多往返於地球和火星的機會。在軌道週期的 80% 時間裡，棲息地將進行採礦和建造，訪問附近軌道上的小行星。在其餘 20% 的時間裡，它們還將運載乘客和貨物往返於火星，當它們碰巧對齊時。可能存在更好的軌道和棲息地安排，以增加它們可以用作渡輪服務的時間比例。