第4.10節：第五階段B - 火星開發

火星一直是流行文化中未來殖民的首要地點。這是因為從多項指標來看，火星的自然環境最類似於地球。許多虛構作品描述了各種可能性，真實程度各不相同。美國國會圖書館列出了450部主要關於火星作為天體物件的作品，73部關於太空飛行目標的作品，以及大量其他非虛構作品對其進行了引用，例如行星科學方面的作品。截至2017年，已有25次成功的任務飛越或抵達火星，以及一些失敗的嘗試。其中8個正在執行，另外7個處於不同的開發階段。載人任務是美國宇航局的目標，而殖民是私營公司SpaceX公開的目標。

然而，大多數關注和工作都集中在火星本身，而忽略了太陽系其他區域的資源和開發。我們在這本書中描述的專案更具包容性。它將火星視為眾多開發地點之一。部分原因是其他地點擁有不同的物質和能源資源，並且其當地環境更適合某些用途。另一個原因是人們是不同的，並非所有人都想居住或工作在同一型別的環境中。

與之前的階段一樣，我們將向火星區域運送一批初始裝置。它們利用當地資源來引導自身擴充套件並開始開發。這將火星加入不斷增長的已開發區域網路中。到開始火星開發時，這種方法已經在地球和之前的太空地點使用過七次，應該會被很好地理解。利用早期階段以及火星本身的裝置和資源，應該能夠以低成本進行大規模的火星開發。這與“插旗和足跡”專案（如阿波羅計劃）形成對比。它們沒有留下任何持久的基礎設施或經濟活動，因此每次任務都需要從地球運送所有東西，成本相同。我們這種方法的投資回報率應該會高得多，甚至可能在經濟上實現自給自足。

我們首先透過描述該區域的特徵和一項調查來確定可能的未來活動，從而開始對本階段進行概念探索。然後，我們研究動機、經濟學和技術，並將所有資訊結合起來，按功能確定開發方法和一組專案，然後將它們與其他專案階段聯絡起來。對於我們有更多詳細資訊和計算的專案，將在本節末尾進行更詳細的描述。作為這項概念探索的輸出，我們將確定本階段需要哪些研發工作，並將其反饋給之前的第0N階段 - 火星開發研發。

火星區域特徵

火星區域位於內行星際區域，該區域從靠近太陽延伸到1.8個天文單位的距離，涵蓋了圍繞四個內行星的區域。該區域包括火星、兩顆小型衛星以及距離火星中心340,000公里（100個火星半徑）內的軌道。火星的衛星火衛一和火衛二的軌道半徑分別為9,376公里和23,460公里，位於該區域內。它們的軌道幾乎是圓形的，並且與火星赤道平行。

太陽的質量是火星的3,098,000倍，在該區域邊緣平均距離火星670倍。因此，在該距離上，太陽的引力比火星的引力強6.9倍。然而，軌道穩定性取決於質量比的立方根，因為擾動軌道的因素是太陽對火星與軌道上各點的吸引力差異。因此，距離火星1,084,000公里內的軌道至少在理論上是穩定的。我們武斷地將區域邊界設定在這個距離的三分之一左右，在這個距離上，物體的能量與逃逸能量的差值在1%以內。

火星的水平表面積為1.448億平方公里，巧合的是，這相當於地球陸地面積的97%，幾乎相等。相對於參考高度，海拔高度從海拉斯盆地的-8.2公里到奧林匹斯山的+21.2公里不等（圖4.14-1）。有關更詳細的版本，請參見美國地質調查局2013年火星地形圖。火星日長24小時40分鐘，略長於地球日，火星年為1.88個地球年。兩顆衛星的自轉與其軌道同步，始終保持同一面朝向火星。它們的白晝長度等於7.65小時和30.31小時的軌道週期。火星的自轉軸傾角為25.2度，從地理角度來看，導致了類似於地球的季節變化。由於軌道距離太陽的距離在1.381到1.666個天文單位之間變化，因此季節變化的幅度更大。

環境引數

溫度 - 火星的氣候與地球的氣候有重要的相似之處，包括極地冰蓋、季節和天氣模式。由於平均距離太陽更遠，地表溫度在極地和赤道中午之間變化範圍為120到293開爾文（-153到20攝氏度）。平均溫度每升高1-2公里變化約1-2開爾文。由於稀薄的大氣層沒有多少熱質量，因此典型的晝夜溫差為70開爾文。在沙塵暴期間，這種溫差會降低到約10開爾文。地表大部分覆蓋著沙子和塵土，隨著深度達到1米，會使溫度變化趨於年平均溫度。由於缺乏直接測量資料，地下溫度知之甚少。基於間接資料的模型表明，地下溫度可能每增加1公里深度就會增加6-10開爾文，在冰飽和土壤中，溫度升高幅度較小。

軌道和衛星上的溫度主要取決於直接暴露在陽光下的百分比。低軌道上的溫度較低，因為它們在火星陰影中停留的時間更長。衛星始終保持一面朝向火星，並且形狀不規則。因此，可用陽光以及溫度會因特定表面位置而異。火星充當次要紅外源，在低軌道上幾乎佔據了50%的視野，而在該區域邊緣僅佔據0.00275%。全日光照下的黑色表面在平衡狀態下的溫度將為302-332開爾文（29-59攝氏度），具體取決於火星在其軌道上的位置。軌道上實際硬體的溫度將取決於其太陽照射時間和角度、反照率、發射率和熱特性。

大氣和水 - 火星擁有大氣層，其中96%是二氧化碳，氬氣和氮氣各佔約2%，以及少量其他痕量氣體。大氣層垂直延伸約200公里，直至外層空間與太空真空交匯。地表氣壓從奧林匹斯山的頂部30帕斯卡到希臘平原盆地的1155帕斯卡不等。作為比較，最高值是地球海平面氣壓的1.14%。氣壓隨海拔呈指數下降，標高約為11公里/e變化，相對於零海拔處的636帕斯卡參考值。氣壓隨距離太陽的距離每年變化30%，因為部分二氧化碳在兩極凍結和蒸發。火星的衛星太小，無法保留任何大氣層。

這顆行星在某些區域存在殘餘磁場，其強度約為地球磁場的100分之一，但沒有由核心驅動的全球磁場。因此，它沒有強大的磁層。行星際太陽風主導著該區域大部分的太空環境。這顆行星在面向太陽風的一側形成了弓形激波，即離子磁場的堆積，以及稀薄的下游尾跡，部分電離層物質會從這裡洩漏。

火星在土壤中含有大量的以水合礦物和永久凍土形式存在的水，以及凍結在厚厚的塵埃冰蓋中的水。冰蓋包含約175萬立方公里的冰，而火星上的水總量可能達到500萬立方公里。地面表層一米內的含水量在緯度65度以上通常較高，但在較低緯度地區仍有幾個百分點。火星及衛星內部深處的含水量知之甚少。火星表面的壓力和溫度幾乎始終低於水的三相點。因此，水很少以液態形式存在，儘管在條件適宜的更深處可能存在液態水。

地面強度 - 火星表面通常由細小的土壤組成，其中包含沙子和塵埃，以及不同數量的較大岩石和裸露的基岩（圖4.14-2）。沙質地區的表面強度足夠低，以至於能夠困住漫遊者，但在其他地區則足夠堅硬和鋒利，足以刺穿金屬輪子。土壤狀況是由隕石坑撞擊、火山活動以及行星早期更濃厚的大氣和水共同作用的結果。因此，適宜性建造和運輸將因地點而異，需要進行當地調查。覆蓋岩層的強度極限大約在16公里深處，但會因斷裂和水/冰含量而降低。在這些極限以下進行採礦或鑽探需要支撐結構。對於超過鬆散材料區域性休止角的地表挖掘，也需要支撐結構。

重力水平 - 火星表面重力從3.683到3.743米/秒²不等，變化幅度為1.6%，參考值為3.711，或地球重力的37.85%。較低的值是由於赤道位置和極高的火山造成的，而較高的值則出現在北極地區和希臘平原盆地等較低海拔地區。軌道上的自由落體狀態不會產生淨重力，衛星上的重力可以忽略不計。因此，抵禦重力所需的結構支撐比地球上要低得多。長期維持人類、植物和動物健康所需的重力水平尚不清楚，但可能高於火星表面值，並且肯定高於軌道上的水平。在這兩種情況下，都可以透過旋轉產生人工重力，在這種情況下，裝置將承受很大的結構載荷。

輻射水平 - 火星科學實驗室/好奇號漫遊者任務測量到的火星表面輻射水平為每天0.64 ± 0.12毫西弗，軌道上的輻射水平為每天1.84 ± 0.30毫西弗（Hassler等人，2013年）。這些數值分別是國際空間站宇航員輻射水平的1.5倍和4.5倍，以及美國所有來源年平均輻射水平的200倍。這些水平對於長期佔據該區域來說是不可接受的高。最簡單的短期解決方案是用來自地表或衛星的材料進行一米或更厚的遮蔽。長期的解決方案包括增加大氣質量和建立人工磁層。

通訊和旅行時間 - 從地球到火星區域的往返（往返）時間從6分鐘到45分鐘不等，具體取決於相對軌道位置以及是否需要中繼衛星來避開太陽。從地球到火星的旅行時間取決於火星和地球的相對位置以及所選擇的推進方式。當兩顆行星對齊時，最低能量轉移軌道通常需要8個月單程。如上所述，火星軌道的偏心率為9.3%，因此火星與太陽的最大距離比最小距離多20.6%。這使得從其他區域到達火星成為一個變化較大的命題。該區域內的軌道週期從低空軌道的100分鐘到區域邊界的70天不等。因此，點與點之間的最低能量轉移將需要這些值的一半。實際旅行時間將取決於所使用的方法。

停留時間 - 平均停留時間會影響運輸和居住需求。迄今為止，還沒有人旅行到月球之外，因此對於此引數沒有歷史資料。地球和火星之間的最低能量軌跡要求運輸+停留時間為1.5到3年。但是，這些軌跡假設使用效率低下的化學火箭。技術的進步以及先前對太空其他區域的開發應該會提供更多選擇。因此，在該區域建立長期居住並確定平均停留時間之前，我們將讓未來的專案根據內部需求來定義此值。

運輸能量 - 從地球到達火星區域需要理論上的11.8公里/秒的速度變化，從而產生69.6兆焦/公斤的理論動能。由於所用運輸方法的效率低下和開銷，實際所需的能量通常要高得多。與典型產品的10-20兆焦/公斤生產能量相比，這是一個很大的數值。因此，儘可能優先選擇當地生產，這也是我們選擇採用逐步開發火星和其他太空區域的方法的原因。火星的質量是地球的10.7%，平均半徑是地球的53.2%。這導致火星表面的逃逸速度為5027米/秒。到達軌道的理論最小能量為5.5兆焦/公斤，到達該區域最遠點的最小能量為12.5兆焦/公斤。因此，從地表到軌道的有效運輸所需的能量低於典型生產能量，從地表向軌道供應材料是合理的。

反方向的運輸可以利用大氣摩擦，因此需要更少的能量。像太空電梯這樣的大型基礎設施可以使用再生能源，其中下降貨物的能量可以用來提升另一個方向的貨物。理論上，如果交通流量平衡，則不需要淨能量。在實踐中，交通流量不太可能完全平衡，並且實際系統存在開銷和效率低下。點與點之間的運輸、軌道區域內點與點之間的運輸以及該區域與地球以外其他目的地的運輸將具有高度可變的能源需求。它們取決於所使用的運輸方法、起點和終點，以及對於軌道旅行而言，取決於出發和到達時間。

可用資源

與其他階段一樣，我們在此專案階段的方法是利用從其他地方帶來的啟動裝置來逐步開發火星區域。這些裝置儘可能地利用當地資源來製造更多裝置，然後使用成品在當地使用或出口到其他地方。噹噹地資源或生產能力不足時，所需投入將從其他區域供應。隨著該區域的發展，進口比例應該會隨著時間推移而下降，而出口比例則會上升。透過進口和出口，火星將與文明的其他部分在經濟上融合，並可能實現自給自足。為了遵循這種方法，我們首先需要了解當地有哪些能源和物質資源可用。

能源資源

太陽能 - 這可能是該區域的主要能源。火星上的入射太陽輻射從494到716瓦/平方米不等（地球的36%到52.5%），平均為579.4瓦/平方米。範圍是由於火星與太陽軌道距離的變化造成的。由於太陽距離的增加或減少，火星周圍的軌道區域的輻射通量可能與行星相比發生±0.33%的變化。波長的分佈與地球相同。該區域的總太陽能平均為2.13億太瓦，約為2017年人類能源消耗的1000萬倍。火星周圍軌道上的這種能量可以100%的時間使用，除了穿過行星陰影的時候。低赤道軌道幾乎有50%的時間處於陰影中，而該區域邊緣的圓形軌道最多隻有0.23%的時間處於陰影中，如果軌道平面傾斜於火星軌道平面，則時間會更短。關於可以用如此多的能量做什麼，理論上它可以在不到2000年的時間裡完全拆卸火星並將其轉化為其他產品。這樣做會面臨巨大的實際挑戰，但它表明可用能量應該足以滿足該區域未來任何專案的需求。

到達火星的平均能量為20,900太瓦，是2017年地球能源消耗的1000倍。由於球形行星相對於擷取陽光的橫截面積而言表面積是其4倍，因此表面通量平均降低了4倍。可用量因緯度、季節和一天中的時間而異。由於大氣中的塵埃散射和吸收，在典型海拔高度上，它還會進一步降低20-40%。由於大氣密度低，大氣氣體的影響很小。全球塵暴平均每三個火星年發生一次，區域性塵暴每年發生一次。它們可以在一個月的時間尺度內阻擋多達99%的陽光。

其他能源 - 火星完全處於陰影中的軌道時間最長可達3.8小時，地表平均夜晚為12.3小時，緯度65度以上地區會經歷長時間的季節性黑暗。在這些時間段以及沙塵暴期間，可能需要其他的能源解決方案。可選方案包括暫時減少執行、電池、利用當地CO2和水製成的甲烷和氧氣的化學儲能、當地塊狀岩石的熱儲能、核能、長距離輸電線路以及軌道上的束能。風能和地熱能可能不太實用，但在進行更多分析之前，不會完全排除。火星玄武岩可能含有約5 ppm的鈾和釷。如果地質過程形成了富集礦床，它們可能可用於當地能源供應。

材料資源

圖4.14-4 - 火星三個著陸區域典型土壤的元素氧化物組成。誤差線表示樣本之間的變化。請注意，為了調整圖形比例，二氧化矽和氧化鐵的濃度除以10，鎳、鋅和溴乘以100。

行星表面 - 我們對火星的詳細瞭解是自20世紀中期以來送往火星的大量軌道和地面儀器以及超過100顆火星隕石（透過自然過程送達地球）的結果。它是一顆分異的類地行星，具有鐵-鎳-硫核心、密度較小的矽酸鹽地幔和相對較輕的地殼。由於內部熔化、火山活動以及行星早期歷史中的其他活躍過程，地表具有多樣化的地質特徵（圖4.14-3，並參見USGS地圖3292（2014）以獲取更詳細的版本）。根據漫遊者儀器測量的表面成分主要由各種金屬氧化物礦物組成，以及少量的水和溴等揮發性化合物（圖4.14-4）。就岩石型別而言，原始表面主要是玄武岩。它由不同的礦物晶體組成，這些晶體在熔岩冷卻時依次形成。小行星增加了自身的成分，並透過形成隕石坑混合了地殼。早期較高水平的水和大氣導致原始材料的氧化、侵蝕和化學改性。有一些證據表明存在構造活動，但遠不及地球。隨著行星冷卻，小行星數量減少以及水和大氣散失到太空，這些過程在第一個十億年後減緩。

地表有大量的沙子、塵土和較小的岩石構成原生土壤層（風化層）。早期對土壤的開採和挖掘應該相對容易。硬巖開採和露頭及基岩的隧道開挖難度應該與地球相當。由於較小的重力和熱梯度，使用現有技術可以進行深度達30公里的開採和鑽探，使超過40億立方公里的總材料能夠獲取。這相當於地球目前年度採礦需求的數億倍。

軌道區域 - 除兩顆天然衛星外，這裡大多是空的。根據所需的材料，可能需要從地表或其他區域進口。少量太陽風粒子、星際塵埃以及偶爾較大的小行星會穿過該區域。火衛一和火衛二的平均直徑分別為22.2公里和12.6公里，但形狀不規則。它們的逃逸速度平均僅為11.4米/秒和5.5米/秒，因此需要改進的採礦技術以防止表面材料損失並造成軌道碎片危害。它們的總質量為12.8萬億噸，相當於地球總採礦產量的兩個世紀，因此在便利的軌道上代表著重要的物質資源。火衛一（較大的衛星）的中心壓力僅為120 kPa，或地球大氣壓力的1.2倍。這在向衛星中心挖掘隧道或開採方面沒有任何困難，因此這兩顆衛星的全部體積都可以獲取。

根據目前的可見光、近紅外和熱紅外光譜，衛星的成分尚不確定。它們既類似於外小行星帶的小行星，也類似於某些火星表面礦物，但與兩者都不完全匹配。一種可能性是它們形成於大型小行星撞擊後產生的軌道碎片。火星上許多大型隕石坑支援了這一觀點。由於衛星本身也存在許多隕石坑，因此它們後來可能透過撞擊直接積累了小行星物質。解決這個問題並確定其詳細成分需要更近距離的觀測。

火星特洛伊小行星（與火星共享軌道）以及數以萬計的其他內側行星際小行星可能是原材料的有用來源。後一組包括火星軌道掠過的部分小行星帶以及其他繞太陽執行更近的小行星。由於數量眾多，並且可以利用火星進行引力助推，因此應該有一些軌道特別容易開採並從中返回材料的小行星。這些小行星可以提供比兩顆衛星單獨提供的更多樣化的源材料。這顆行星可以作為額外的材料來源，但使用甲烷/氧混合物的化學火箭需要幾倍的有效載荷質量才能到達軌道，這效率不高。用於從地表進行大規模運送的替代方法包括電磁和離心地面加速器以及太空電梯。

行業調查

我們的下一步是確定可能支援火星區域開發的經濟活動。我們的方法是檢視所有現有的地球行業類別，並確定其中哪些類別有可能在某個時間點在該區域運營。在此基礎上，我們新增僅適用於火星的任何獨特活動。這些活動包括該區域內部所需的活動以及向地球或其他太空區域提供的產品和服務。我們將使用最新版本的北美產業分類系統（NAICS）作為類別列表，並將其編號系統和順序應用於我們的調查。在識別到獨特的火星活動時，將其插入到最相關的標題下。

11 - 農業：無論人們住在哪裡，都需要食物，封閉的生態系統可以幫助回收人類廢物。一旦建立起來，從遙遠地區進口食物可能比迴圈農業消耗更多能量。生物生長還可以提供除食物以外的其他有用產品。因此，我們認為農業在開發的最初階段之後很可能成為一項活動。軌道區域陽光充足，地表存在自然晝夜迴圈。在軌道上，它需要過濾有害波長，在地表和軌道上，由於距離太陽更遠，自然陽光需要適度集中。目前尚不清楚人工生長燈，如發光二極體，是否可以提高自然光下的整體生長效率，但值得研究。沙塵暴可以阻擋地表幾乎所有的光線，但食品儲存技術已經成熟，火星的自然溫度足夠低，可以進行冷藏。

典型植物組織中的主要元素是氧（45%）、碳（44%）、氫（6.3%）、氮（1.3%）、矽（1.2%）和鉀（0.9%）。地表的大氣、水和土壤可以提供所有這些元素。在所需的其餘約1%的微量元素中，一些也存在於土壤中。所有元素可能都需要加工成植物可以利用的形式。小行星，以及可能存在的火星衛星，擁有各種各樣的元素和化合物，因此它們可以作為軌道上的源材料。一旦從地表開發出高效的運輸方式，它也可以用作供應來源。這些材料也可能需要加工成可用形式。任何剩餘的缺失成分都可以從之前的區域或地球提供，但應該只佔很小的比例。

21 - 採礦：提取當地材料是我們專案的根本假設，因為這比從地球進口所有材料消耗更少的能量。火星表面有面積廣闊的碎石（風化層）、沙子和塵土，厚度約為幾米，總量達數百萬噸/平方公里。這對於早期採礦來說綽綽有餘，儘管特定有用礦石的濃度還有待確定。衛星和附近的小行星可以提供軌道上早期使用的足夠材料，而從地表進行高效運輸可以在後期提供更多材料。我們預計不會將大量開採的產品運送到地球，但可能會將適量的產品從火星出口到附近的區域。

22 - 公用事業：該區域幾乎所有活動都需要某種形式的當地電力。最初，這可以透過進口太陽能電池板和電池來提供，並可能輔以小型裂變反應堆或熱儲能。聚光反射器可以提供直接熱量並驅動熱迴圈發電機。一旦製造業發展起來，這些都可以當地建造。軌道上的太陽能更充足且更穩定，因此這可能是能源密集型活動的優選地點。軌道到地表的束能可能作為補充很有用，尤其是在陽光較弱且季節性間歇的較高緯度地區。預計沙塵暴期間的光束衰減在32 GHz時約為50%，在較低頻率下則更低。因此，這可能是解決這些時間段內地表太陽能缺乏問題的一種方案。

23 - 建築：相對於地球的陸地面積，火星的表面面積幾乎相同，軌道區域的橫截面積是地球的2400倍。我們使用橫截面積而不是體積來表示軌道，因為陽光只能被攔截一次以用於供電和自然照明。儘管從純粹的物理空間角度來看，地球不會過度擁擠，但環境壓力以及對更多個人空間、設計靈活性以及新穎性的渴望可能會推動當地住宅建設。任何涉及人員和其他生物的非住宅運營也需要合適的棲息地，一些工業活動需要免受當地環境的影響。所有這些反過來都需要一定程度的建築活動。

31-33 - 製造業： 本計劃的基本假設之一是在當地進行製造。任何在火星區域比從其他地方進口更容易生產的產品都是候選產品，以及比在目的地更容易從火星供應的出口產品。最初，只會生產最必要、最容易生產和槓桿作用最大的產品。這些產品包括輻射遮蔽、推進劑、生命支援用品以及基本的建築和製造材料。製造業將隨著時間的推移而發展，利用自舉、智慧工具和關鍵物品的進口。最終，所有在經濟上合理的本地產品都將被生產出來。火星擁有大量的鐵、鋁、鎂、鈦、鉻、錳和鎳用於結構和機器合金，矽用於太陽能和電子產品，以及鈉、磷、硫、氯、鉀和鈣用於化學品。因此，它擁有種類繁多的製造業原料。

42 - 批發貿易： 我們預計該區域的活動將根據比較優勢原則彼此之間以及與其他區域進行貿易。我們目前無法預測該區域的哪些具體活動將具有此類優勢，但我們可以確定可能的貢獻者。來自地球或其他區域的遙遠地區的運輸需要大量能源。在當地材料供應和生產可以消耗更少能源的情況下，它將具有優勢。令人驚訝的是，從火星表面到達地球高軌道所需的能量比從地球上少。然而，從成本角度來看，盈虧平衡點可能更接近火星。軌道上的能量比地表上的能量更多，因此需要高能量的作業更喜歡在那裡進行。與海洋相比，地球上的陸地採礦相對更容易。等效的陸地面積以及較低的重力和熱梯度使得火星上可開採的地殼總量增加了數倍。但是，我們目前對高品位礦石的資訊很少。可用材料總量也大約是小行星帶質量的4倍，但成分不同。因此，區域間貿易很可能基於相對稀缺性而發展。

44-45 - 零售貿易： 我們預計火星上的零售貿易需要一段時間才能發展起來。早期的居民將出於科學和工業原因在那裡，他們的居住空間和生命支援的個人需求將得到滿足。隨著社群發展到這個早期階段之後，可以投入更多時間和資源到個人選擇和非必需品上，因此零售層面的供應商可以發展起來。鑑於地球上線上市場和自動化交付的發展，很難預測這將採取什麼形式。它可能是中央倉庫而不是零售店面。另一方面，人們可能仍然希望在工作人員的協助下親自選擇商品。

48-49 - 交通運輸和倉儲： 從其他區域進行運輸對於在火星上或周圍開展任何活動都是必要的，並且在之前階段已從這些運輸的來源地進行了說明。火星區域內的內部運輸以及離開該區域前往其他目的地的運輸屬於本階段。運輸車隊和基礎設施的運營在本活動中涵蓋，而它們的製造和建設則在其各自的標題下涵蓋。這裡還包括各種儲存和倉儲。我們預計只要存在任何型別的活動，所有這些活動都將繼續在該區域進行。

51 - 資訊： 透過開放空間傳遞資訊不需要質量，只需要很少的能量，因此相對容易實現。火星的通訊已經透過深空網路與在那裡執行的航天器存在。隨著裝置遙控和人員居住的增加，可能會建立本地網路。這可以從軌道上的中繼衛星開始，連線地表、軌道區域和其他區域的點。隨著各個地點的發展，也將提供本地網路。大多數現代活動都需要本地儲存和處理。這些活動的裝置複雜且質量輕，因此最初主要來自地球和較舊的區域，本地生產將隨著時間的推移而增長。

52 - 金融和保險： 最初，該區域的大部分金融和保險業務將由地球處理。它們涉及權利、合同和金錢之間非物質的關係，這些關係可以透過遠端方式進行交易。當地辦事處和機構可能需要處理諸如損害索賠檢查之類的事情。由於與遙遠地區的通訊延遲，它們還可以更輕鬆地建立新賬戶和協議。

53 - 房地產、租賃和租賃： 1967年《外層空間條約》禁止國家對天體提出領土要求，但私人裝置（如衛星）的所有權和使用已經得到了很好的發展。我們預計關於太空中的土地、軌道和採礦權的法律灰色地帶將首先在之前的區域得到解決。當火星區域的重大發展開始時，所需的法律程式應該可用，但我們目前無法說明它們將是什麼。衍生活動，如衛星的銷售和租賃及其使用，已經是地球周圍的一個活躍市場，此類活動可能會擴充套件到火星。

54 - 專業、科學和技術： 此類別中的一些活動只能在火星區域本地進行，並且已經隨著科學和技術研究的開展而開始。我們預計這將隨著時間的推移而增加，並在早期火星活動中佔據很大一部分。迄今為止，參與這些活動的大多數人都在地球上——太空中的宇航員是罕見的例外。我們預計這種情況在短期內將繼續存在，隨著時間的推移，火星區域的本地人口將逐漸增加。

55-56 - 管理和組織支援： 出於成本原因，企業管理和行政工作很可能最初由地球處理。隨著火星區域運營規模和複雜性的增長，節省時間將開始有利於本地管理。隨著智慧工具和網路的不斷發展，傳統的組織結構可能不再需要。管理和組織支援可能會被分散和自動化。因此，很難預測這項活動在長期內將採取何種形式。

61 - 教育： 該區域的第一批人員將在其他地方接受教育，並且資訊系統正在變得足夠先進，可以根據需要支援本地培訓。本地對年輕人的教育將推遲到永久居住地存在，並且兒童在當地出生和長大為止。它將採取何種形式尚不清楚。到那時，它可能主要透過增強現實裝置而不是有教師的教室進行。

62 - 健康和社會服務： 由於該區域的特殊條件和危險，一旦人員進入該區域，就需要進行健康監測和急救能力。最初，這將透過培訓船員本身，並進行遠端監控和建議來實現。隨著當地人口的增長，額外的專業裝置和人員將提高護理水平。到那時，遠端呈現、人工現實和智慧以及觸覺機器人可能足以在該區域內遠端提供醫療保健，但來自其他區域的訊號延遲太大。護理和住院護理將首先在地球上提供，需要將需要護理的人員送回。一旦該區域人口足夠多，就可以建立當地設施。如果需要，社會援助很可能透過遠端方式提供。由於設計原因，該區域的每個人都需要提供基本的生活和食物，因為自然環境無法支援它們。

71 - 藝術、娛樂和休閒： 娛樂可以從遠端交付和儲存媒體開始，供該區域的人員使用，因為它們的質量和能源需求都很低。諸如創意藝術和戲劇藝術等活動很可能會推遲到有剩餘時間和資源可用時。積極的娛樂將從鍛鍊以保持健康開始，並可能在稍後發展為運動。早期的探索和地理位置獨特的區域可能會為後代儲存。

72 - 住宿和餐飲： 正如健康部分所述，該區域的人員需要基本的生活空間、食物和飲料。贊助組織將首先為船員提供這些服務，船員將自行運營。隨著當地能力的增長和人們建立長期住所，將有機會進行租賃、臨時旅行住宿、旅遊以及特色食品和飲料。旅遊業是地球上一個大型產業，火星區域足夠獨特以具有吸引力，但時間和成本將首先限制自願旅行。

81 - 其他服務： 這包括其他地方未涵蓋的各種活動。進口物品的維修和保養將是高度期望的。它們要麼昂貴要麼更換緩慢，並且可能是關鍵裝置。一旦本地生產建立起來，可以儲存多餘的物品以滿足更換和維修需求。個人服務將從自給自足開始。私人和公民組織最初可能不需要。稍後，它們可以成為現有組織的擴充套件，或在本地自行組織。

92 - 公共行政： 此類別的支援將來自地球或之前的區域。當地消防和公共安全將從自給自足開始，並隨著人口規模的擴大而發展為專業領域。環境質量和監測是必要的職能，並且將在設計中包含在內。迄今為止，該區域中唯一開展的公共資助的民用空間活動，並且很可能繼續發揮重要作用。迄今為止，火星區域不需要國家安全活動，並且可能透過協議和合作保持最低限度。該區域尚未開始私人活動，但一旦開始，很可能需要公共監督。由於時間和距離的原因，一些監督將在當地進行。公私合作伙伴關係是完全可能的。

專案驅動因素

上述調查中提到的許多活動直到未來中期或遙遠未來才會開始，並且到那時技術和組織變化很可能發生。因此，很難預測哪些活動是有意義的，以及何時進行。但是，當這些活動到來時，我們可以開始確定將推動該區域專案的關鍵因素。這些因素包括人類動機、經濟、可用技術以及專案在先前、並行和後續專案中的位置。我們預計這些因素的重要性以及地位將隨著時間的推移而發生變化，從而影響哪些專案啟動以及何時啟動。

動機

開發火星區域的動機可以是個人、組織或社會性的。人類對周圍世界的好奇心推動了當前對火星的科學探索，並且可能持續下去。火星最終可以支援其他區域的其他科學工作。對自然和人為危害的安全渴望是人們的另一個主要動機。在這種情況下，火星已被提議作為文明的備份地點，以防地球發生意外。我們的計劃假設太陽系將得到更廣泛的發展，部分原因是出於這個原因。大部分太空都是沒有生命的，並且充滿了輻射。因此，將危險活動從我們最初的星球轉移到其他區域將提高那裡的安全性。

在經濟領域，對利潤的渴望始終存在。如果可以在火星區域獲得利潤，那將成為開發它的強大動力。由於該區域的物質和能源資源目前無人認領，因此無需購買，只需開採即可。[待補充其他動機]。

經濟學

經濟學是決定啟動哪些專案、專案的範圍及其時間安排的關鍵驅動因素。目前，圍繞火星的大多數活動都是由公共資金資助的。政府和公共機構受其可用預算的限制，這決定了哪些專案會被啟動。未來火星的活動可能會有很大的私人成分，這意味著客戶、市場以及通常的商業考慮因素將決定做什麼以及為什麼要做。這些包括比較優勢和投資回報率等原則。如果在火星進行私人活動比在其他地方更容易，並且可以產生更好的資本回報，那麼這些活動更有可能發生。

火星的自然優勢包括大量且多樣的材料來源，以及地球表面以外最類似地球的環境。逃逸能量是地球的 20%，因此更容易建造高效的運輸工具。透過利用引力助推和大氣制動，即使是前往地球軌道的運輸也可能比從地球表面發射消耗更少的能量。與早期的地球軌道區域和我們最近的行星際區域相比，火星距離較遠。然而，它靠近內行星際區域的外緣，距離為 1.25 到 1.8 個天文單位，將是該區域的首選來源。由於地球已經擁有完整的文明，我們預計火星不會供應大量的物理產品。因此，貿易將取決於其他型別的價值，或供應附近的區域。一個例子是利用火星的衛星作為大規模建設的起點，利用低重力和來自表面和附近小行星的材料。

技術

佈局

開發專案

我們概念探索的下一步是將以上資訊結合到火星開發的通用方法中，並確定具體的近期和長期實施專案。我們可以為這些專案提供早期概念，這將使人們瞭解其規模和主要特徵。但是，這僅僅是一個起點，並不排除其他想法。它也不包括對專案之間以及與程式其他階段的專案進行全面最佳化和整合。在描述我們的通用方法後，我們按時間、功能和位置列出專案的摘要。接下來是程式整合的開始。在開發了更多概念細節的地方，它們將作為本節的最後主要部分提供。

通用方法

火星的表面積幾乎等於地球上所有的陸地，軌道區域的橫截面積為 3630 億平方公里，是地球總表面積的 712 倍。與月球區域一樣，火星區域因此過大，無法一次性開發，也無法由單個專案或組織開發。因此，我們的通用方法是確定許多較小的任務和專案。這些可以按邏輯順序排列，後續專案建立在早期專案的基礎上，並由各個組織或組織組執行。當這些任務和專案同時存在時，它們將相互影響。它們還與同時執行的其他程式階段以及文明的其餘部分相互影響。

各種活動可以根據開始時間大致分為準備階段、軌道開發階段和表面開發階段。火星活動不如地球軌道或月球活動那麼先進，因此目前和近期的大部分工作都是準備性的，例如科學探索。我們在這種通用方法之後列出了這些早期活動。長期專案緊隨其後。由於它們尚未組合成一個整合的序列，因此我們按主要功能（生產、居住、運輸和服務）和位置（軌道區域或行星表面）對它們進行分組。在每個組中，它們按大致時間順序排列。我們預計許多這些專案和活動將在時間上重疊，而不是嚴格地按照一個接一個的順序進行。

準備階段 - 計劃和設計未來的火星專案需要了解該區域的一般特徵以及特定作業地點的特徵。因此，為火星開發做準備涉及勘探、測量、勘探和現場調查等任務。除了僅僅確定其軌道之外，對火星的科學研究始於大型望遠鏡允許在天空看到不僅僅是一個光點的時候。它從 1964 年開始加速，當時火箭技術能夠將儀器送得更靠近並著陸到這顆行星上，並將它們收集到的資料傳回地球。我們尚未從這顆行星上帶回原始樣本，但從 1983 年開始，已經確定了 100 多顆來自火星的隕石，它們透過自然方式來到了地球。這些隕石暴露在太空和地球環境中，因此與它們最初的狀態有所改變。許多航天器已經環繞火星執行，因此軌道區域現在已經足夠了解，可以開始開發了。火衛一和火衛二尚未被環繞或著陸，需要更仔細的檢查。少量著陸器和漫遊車已在表面執行。表面還需要做更多工作，因為它比軌道區域更加多樣化和多變。探索整個星球需要很長時間，因此詳細的調查可以首先從擬議的早期著陸點開始。

軌道開發 - 預計軌道開發將引領地表工作。這是因為從之前的區域到達更容易，並且由於火衛一和火衛二以及附近小行星存在現有的物質資源。衛星上的地點可能需要進行物理準備，例如由於低重力提供錨固或收集表面材料以提供輻射遮蔽。可能需要在活躍的工作區域上安裝覆蓋物，以防止鬆散材料的損失。該區域其他地方的開放軌道不需要準備，但也缺乏原材料，因此必須進口。由於地球的長時間延遲，遠端控制操作將很困難且緩慢。因此，我們預計重要的操作將需要高階自動化或將人類人員送往該區域。這些操作將從先前開發的區域交付啟動裝置開始，透過電力牽引裝置進行。還將交付初始的物資和推進劑庫存，但為了維持運營，當地生產將是優先事項。火衛一可能會被用作行動基地，因為那裡有大量的可用材料，並且可以方便地到達地表。

表面開發 - 一旦軌道行動基地建立起來，並且中繼衛星網路到位，就可以開始地表的場地準備工作。最初，這可以使用來自軌道的裝置進行遠端控制。時間延遲足夠短，可以進行近乎即時的控制，並且最初地面上將沒有足夠的裝置來維持人員。優先事項將是建立著陸場和地表推進劑生產。然後，著陸器可以開始從軌道上穿梭，運送更多裝置。當裝置到位後，人員訪問可以開始，並擴充套件到全天候居住。與其他地點一樣，使用啟動生產裝置來引導更大規模的生產，然後是最終用途產品。化學火箭效率低下，因此從長遠來看，將建立更好的運輸基礎設施。軌道和地面操作將繼續從先前的區域接收貨物，並在具備能力後開始出口產品。

當前和近期專案

研究與開發 -

從地球運輸 -

從低軌道運輸 -

火星區域任務 -

長期專案

截至2017年，在制定火星長期發展計劃之前，還需要大量的研發工作。早期區域的開發也會顯著影響火星專案，因為人員、裝置和物資都必須來自這些區域。因此，以下列表僅是對候選專案的總結，以及已知情況下為準備這些專案所需的工作。隨著火星開發工作的推進，該列表很可能會發生變化，包括專案的包含情況和細節。將這些專案相互關聯並與專案的其他部分形成總體計劃，則更是初步的。

火星軌道生產

火星軌道區域比地表更容易到達，並且從其所在的內行星際區域到達所需的能量較低。我們預計火星的早期生產將從這裡開始，生產諸如輻射遮蔽、推進劑和機組人員消耗品等基本產品。生產的擴大將是準備階段任務的產物，例如從軌道上遠端控制探測車。準備工作將把人員、預製裝置和物資從先前區域運送到火星軌道。當地開採將減少供應需求，當地生產裝置將進一步減少外部需求。因此，它是非常可取的。發展路徑將遵循標準的自舉和自我擴充套件方法，利用智慧工具以及當地的能源和物質資源。隨著生產的擴大，軌道區域可以開始向地表和鄰近區域出口產品，既支援進一步開發，也產生經濟回報。

供應來源 - 該區域遍佈大量的太陽能，是為生產提供動力的邏輯方式。除了圍繞行星的較低軌道外，太陽能的可用性都非常高。軌道區域有兩個天然衛星，總質量為12.8萬億噸。透過結合引力助推、電推進和太陽帆，大部分小行星帶和內行星際區域及其數千顆小行星，都可以以低推進劑消耗的方式進入。由於地球軌道和月球區域已得到開發，因此可以從這些區域進口裝置和物資。最終，來自火星的高效運輸將允許從地表進口材料和裝置。

加工 - 除了散裝輻射遮蔽外，大多數產品都需要透過各種機械、熱力、化學、電氣或其他方法對原材料進行轉換。需要裝置來完成這些任務並提供執行這些任務所需的能量。然後，發展路徑將從相對於所需裝置的數量和複雜性而言，提供最有用產品的工藝開始。裝置可以進口也可以在當地製造。因此，每個來源的相對成本和難度都是一個因素。進一步的增長追求較低的槓桿加工，直到它相對於產品進口不再有益，達到與其他區域的平衡。

製造 - 推進劑和流體等產品在加工後不需要進一步製造，只需要儲存到使用為止。然而，固體庫存材料通常需要額外的加工才能製造出成品零件。有大量可能的製造方法。像加工步驟一樣，它們首先會被選擇，以實現相對於裝置和能源需求而言的最高產量和簡單性。之後的擴充套件追求較低的槓桿方法，直到它們相對於進口不再具有優勢。

組裝和建造 - 成品零件，無論進口還是在當地製造，通常都會組裝成成品裝置和設施。除非作為完整單元進口，否則組裝和建造將是本地操作。軌道區域的失重以及衛星上的極低重力，使得大規模組裝變得輕鬆。某些任務在人工重力下可能更容易完成，因此組裝和建造區域可以透過旋轉來提供人工重力，如果需要的話。由於運輸相對容易，大型物品可以在專門的工廠建造，然後拖到最終的操作地點。

火星表面生產

火星表面具有多樣的地形、氣候和地質。因此，某些地方比其他地方更適合特定的生產活動。早期作業將無法享受運輸基礎設施的便利，因此旅行距離將受到限制。赤道地區通常獲得更多的陽光，並且更容易從衛星到達。這些因素加上早期生產作業的選擇將指導場地選擇。候選場地將在準備階段使用機器人裝置進行遠端勘探。然後，第一批採礦和建築裝置可以從軌道上運送，並繼續進行遠端操作，直到建立足夠的人員支援能力。早期生產作業的電力供應最容易透過固定式太陽能電池陣列、固定裝置的電纜和移動裝置的充電點來實現。太陽能熱能可用於需要熱量的作業。隨著時間的推移，可以增加額外的能源來源。潛在產品包括

最小加工材料 - 這包括透過移動地表土壤來清理和平整建築場地和通道。需要輻射、熱或碎片防護的裝置需要挖掘、放置，然後用當地材料覆蓋。未加工的岩石可用於邊坡防護和護堤，預製拱門可支撐土壤覆蓋。諸如金屬隕石和有用礦石等材料可以從當地收集並堆放在生產現場附近，以備後用。散裝岩石也可用於熱能儲存。

水和流體 - 水有多種用途，包括推進劑生產、生命支援、化學加工和熱機。赤道地區的水似乎比極地地區少，但含水礦物可能包含足夠的水以供使用。它可以透過適度加熱和冷凝來提取。永久凍土冰可以透過將土壤加熱到三相點以上（0°C 和 611 Pa）來提取，這僅略高於火星白天環境條件。水的電解產生氧氣和氫氣。後者可以與大氣中的碳結合產生甲烷。這可以作為推進劑、燃料電池能源或有機化學品的原料。氮氣可以從大氣中提取並新增到氧氣中，以提供正常的呼吸混合物。

金屬 - 鋼和鑄鐵是地球上最常用的金屬。它們主要是鐵，含碳量為0-4%，以及其他元素，以生產具有不同效能的合金鋼。土壤中約含有20%的氧化鐵，大氣中主要成分是二氧化碳，可以提供碳。錳、鉻、鎳和矽是常見的合金元素，在火星土壤中也以相當大的百分比存在。金屬隕石存在於地表，並含有鐵-鎳-鈷合金，這種合金可能適合早期用途，但數量有限。大規模生產和更專業的合金將需要對礦石進行批次還原，以提供主要元素。鎂、鋁和鈦是有用的結構金屬，在火星土壤中也以合理的百分比存在。所有結構金屬的特定合金元素可能需要進口，如果當地沒有足夠的濃度。

玻璃和塑膠 - 普通玻璃由矽、鈉和鈣的氧化物以及碳酸鈉組成。前三種是天然岩石的常見成分。鈉是可獲得的，但碳酸鹽形式的礦床可能稀缺，需要透過化學方法生產。二氧化矽用於石英玻璃，這在工業過程中很有用。火星上可以用來製造塑膠的天然碳化合物很少，儘管二氧化碳很豐富。因此，將使用化學或生物過程來製造複雜的碳化合物，或者從小行星和衛星來源進口。天然紡織品需要大量的種植面積，因此可能需要進口。合成紡織品使用有機化合物是可行的。

建築材料 - 除非進口或付出努力種植樹木，否則火星上沒有木材。天然材料可用於粘土-沙子或硫-土壤磚塊和砌塊。混凝土需要大量的用水和碳酸鹽來形成水泥粘合劑。目前尚不清楚這是否將成為首選工藝。鋼和玄武岩纖維可以作為增強材料，儘管後者需要環氧樹脂作為粘合劑。對於純拉伸用途，可以使用裸纖維，它也可用於纖維增強金屬。礦物棉和真空粉末絕緣材料可以在當地生產。

其他產品 - 電子產品質量輕、價值高，可能需要進口。電氣產品，如電線和電機，需要合適的金屬，但需要足夠的數量才能在當地製造。目前尚不清楚塗料等塗層是否可以用當地材料製成。

火星軌道居住

圍繞火星的軌道棲息地將與先前區域的軌道棲息地有很多相似之處，因為它們執行的功能和執行環境相似。細節上的差異將源於諸如較低的太陽通量和平均溫度以及供應來源與距離和難度的不同組合等因素。將有一個從預製到本地建造，從小到大的總體趨勢。

預製棲息地 - 我們預計首批棲息地將作為完整部件從先前區域運送過來，並附帶初始物資儲備。它們要麼由電力拖船無人運送，要麼由人員陪同運送。我們的總體方案是儘可能使用當地材料和能源。因此，我們更傾向於使用與小行星開採相同的拖船來運送部件，這也是往返途中推進劑和其他物資的來源。我們希望人員能夠安全高效地旅行，因此我們更傾向於迴圈式中轉站方案。它們在火星附近卸貨，然後使用高推力推進進行軌道捕獲。棲息地部件已預先放置到位，並在前往資源點的途中被佔用，該資源點可能是火衛一。另一種方法是中轉站透過預製和本地製造的部件逐漸累積增長。當它增長到足夠大時，一部分空間站分離出來，配備足夠的人員和裝置獨立執行。然後，它逐漸調整軌道與火星會合。在此期間，它繼續開採附近的小行星並獲取必要的物資和裝置，這些物資和裝置由來自地球軌道的獨立拖船運送。

本地建造 - 由於某些小行星含有天然鐵合金，因此本地建造的一種簡單方法是在太陽能熔爐中加熱該合金，然後鑄造和加工結構形狀。後續建造可以使用更先進的材料和建造方法。太陽輻射通量在整個軌道區域大致相同，因此棲息地的放置位置將取決於小行星、火星衛星和地表材料獲取之間的平衡。地表需要使用化學火箭運送更多的能量，並且能量供應少於軌道，因此最初首選的位置將是較高的軌道。隨著軌道基礎設施的建設，使用地表資源的更近位置變得更加可行。沒有一個位置對所有用途都是最佳的，因此我們預計將建造多個棲息地。較大的棲息地可以透過增量分層的方式建造。初始版本將使用幾個較小的預製或本地製造的部件。一個更大的壓力殼將連線到它們上面。一旦安裝了足夠的系統，更大的殼體就會被佔用。隨後的擴充套件會在該核心周圍增加額外的更大的殼體，這些殼體會在完成時依次被佔用。以後，可以拆除和回收舊的殼體以騰出內部空間。

火星地表居住

我們預計火星地表作業將經歷幾個階段。我們目前所處的階段是遠端操作地球上的裝置。地球的往返通訊時間為 6 至 45 分鐘，因此這種型別的操作必然緩慢。一旦有人居住的棲息地進入軌道區域，這將縮短至不到 2 秒，並且從火衛一到遠側使用中繼衛星的時間少於 100 毫秒。因此，近即時或即時遠端控制將成為可能。這將允許對地表地點進行廣泛的準備，包括為人員在地表工作做準備。某些活動需要人員親自在地表進行，有些人也會出於自身原因前往那裡。一旦地表著陸器的燃料補給能力可用，機組人員可以短時間訪問地表，然後返回軌道，那裡有更多的棲息地容量。在足夠多的棲息地部件被運送到地表並組裝好後，他們可以長時間停留。進一步的建設將容納更大規模的常駐人口。地表上的各種活動，如資源提取，可能需要多個作業地點。因此，多個棲息地和它們之間的地表運輸將不斷發展。

火星的自然環境對人類生命有害，因此所有生活設施，從宇航服到整個城市，都必須提供對環境的保護，並以某種方式滿足人們的基本需求。這些包括空氣、水、食物、溫度控制、睡眠、衛生，以及長時間停留所需的輻射防護和人工重力。小型人工環境，如宇航服和漫遊車駕駛艙，將擁有有限的電力和物資。因此，它們的佔用時間將受到限制，之後需要將人員轉移到更大、功能更強大的棲息地，並進行充電和補給。

場地準備 - 火星地表上的居住地點在未經一些準備的情況下，不太可能處於可用狀態。我們預計將交付用於地表生產的採礦和建築機器人，並由軌道遠端控制。它們也可以用於準備第一個棲息地區域。車輛著陸和發射，以及推進劑生產和儲存都存在危險。因此，棲息地地點應位於一定距離之外，並由當地地形（如果存在）進行保護，例如隕石坑壁或山丘。場地各部分之間將需要通道。它們需要清理和平整，並且可能需要礫石填充以提供承重和牽引力。

早期棲息地 - 載人的著陸器將至少需要一個最小的乘員艙，但為了節省運輸質量，它們不會比需要的大。乘員可以在著陸器艙內進行非常短的地表停留，大約幾天時間。這類似於阿波羅登月艙 的功能。較長時間的停留需要額外的物資和裝置，這些物資和裝置可以透過無人著陸器提前運送，並由遠端控制解除安裝。如果需要，棲息地可以經歷一個“建築棚”階段，其中臨時地點上的最少數量的模組提供生活區，而更大的永久地點正在準備中。

永久棲息地很可能部分埋入地下，以提供免受運輸或生產事故引起的輻射、熱量和爆炸的防護。它可以利用自然地貌，例如隕石坑，並根據需要進一步清理和平整。預製加壓模組和非加壓車輛和儲存區域都將被拱形支撐物覆蓋，然後用當地土壤和岩石覆蓋。出於熱量和維護的原因，模組不會直接放在地面上，而是在升高的框架上。如果地面足夠穩定，框架可以放在地面上，或者放在鑽孔並設定得更深的樁基上。至少需要一套升降機和運輸裝置來移動和放置較大的部件，並且最終的支撐框架應可調節以適應地面不規則性和沉降。為了提供氣密的生活空間，各個模組將需要精確的對齊或靈活的對接埠，但靈活的部分是一個弱點。最好是剛性地連線壓力殼。棲息地將需要各種公用事業服務，如電力和流體儲存。如果生產區足夠近，則可以從那裡獲得這些服務。

長期棲息地 - 零重力對人體健康有已知的危害，但目前我們沒有關於部分重力影響的資料。我們尤其沒有關於低重力環境下的懷孕和兒童發育的資料，因為沒有宇航員進入過這樣的太空環境。地球自然重力的 3/8 可能會不足，即使採取了鍛鍊和負重等措施。在這種情況下，將需要使用地表上的旋轉棲息地來產生人工重力。出於倫理和兒童安全的原因，我們應該假設一旦火星棲息地進入永久殖民者階段，就需要這樣的設施，直到證明它們不是必需的。對於成年人進行知情決策的長時間停留（大約幾年），可能不需要人工重力。人工重力在軌道上相對簡單，因為它不需要機械運動部件，也不需要處理摩擦和陀螺力。因此，一種可能性是限制孕婦和兒童進入地表，以避免建造旋轉結構。但這會增加運輸需求，並且目前我們沒有足夠的資訊來確定最佳方法。

火星軌道運輸

可重複使用著陸器 -

軌道拖船 -

火星天鉤 -

火星地表運輸

火星軌道服務

火星地表服務

專案整合

概念細節

火衛一基地

火衛一軌道高度為地表上方5980公里（1.76個火星半徑），質量為10.66萬億噸。這使得它成為軌道開發的便捷起點，以及未來地表開發的運營基地。火衛一基地最終將發展到包括全方位的生產、居住、運輸和服務功能。但它將從最低可行規模和活動開始，並在此基礎上逐步發展。在開始之前，專用軌道器和著陸器任務應徹底勘測這顆衛星。由於重力較低，著陸器可以在多個地點之間跳躍並獲得更廣的覆蓋範圍。類似大小彗星上的菲萊著陸器出現的問題可能需要不同的方法，例如“帶刺球體”，它可以以任何方向著陸，然後旋轉進行觀察並使用推進器跳到下一個地點。一旦對衛星進行了勘測，我們將知道需要從其他區域運送哪些初始裝置和物資。我們預計月球軌道開發以及地球月球和近地小行星的開採已經開始。因此，最初的交付將透過來自這些地區的電力牽引裝置進行。如果需要，還可以從近火星小行星進口其他原材料。由於火星掠過小行星帶的內邊緣，因此附近有很多候選目標。

太陽能在7小時39分的軌道週期內至少可利用88%，最大日食時間為53分鐘。這顆衛星靠近火星赤道，而火星相對於其軌道的傾角為25度。因此，火衛一在至日附近完全避開了火星的陰影，並且在遠離春分秋分日期時日食時間減少。衛星的旋轉週期與軌道週期相同（即始終一面朝向火星），因此地表位置存在晝夜迴圈。耗能大的作業可能希望靠近但不要在衛星上進行。這是為了避免火衛一陰影導致太陽能損失。由於這顆衛星的成分尚不清楚，因此我們無法詳細規劃開採和加工。至少，可以提取大量岩石用於輻射遮蔽。無論成分是什麼，某些元素和礦物質都將可用，我們可以找到各種用途。隕石坑密度和結構表明存在深層風化層，其中有一層1米厚的塵埃和小岩石，因此開採這些材料應該相當容易。如果碳或水以足夠的數量存在，則可以直接用於推進劑和生命維持。否則，需要進口此類材料。

火衛一基地將透過多種方式服務於軌道區域和地表的開發。首先，作為遮蔽和人造重力平衡錘等散裝材料的來源。這些用途不需要加工。接下來，無論發現哪些礦物質和元素，都可以用於擴大當地生產和最終產品。將從地球和之前的太空區域進口一定量的材料，之後再從火星進口，以彌補火衛一的不足。隨著時間的推移，將建立軌道基礎設施，以實現更大規模、更高效地往返地表運輸。軌道有利位置允許在多箇中繼衛星的輔助下，即時控制整個星球的地面裝置。這在表面設施能夠支援人類居住之前非常有用，之後還可以作為分散地面位置的中繼網路。火星區域的資源可以隨後支援小行星帶及更遠區域的開發。

火星天鉤

太空繩比化學火箭更有效地用於大型天體周圍的運輸。這是因為它們可以使用電推進進行軌道調整，效率大約高出十倍，併為反方向的交通儲存軌道能量。在交通流量平衡的極限情況下，它們不需要淨能量或推進劑來執行。它們比太空電梯更容易建造，因為它們在物理上更小、應力更低，因此對於任何給定的任務，質量都更低。但是，它們仍然是大型運輸基礎設施。基礎設施的建造成本相對較高，但每次使用的成本都很低。因此，它們不是你在火星上建造的第一件事。相反，它們是在交通流量足以證明其建設合理性時建造的。

我們將研究作為火星運輸系統一部分的三個太空繩概念。第一個是一對較小的太空繩，能夠從低火星軌道（LMO）到達火衛一軌道，並提供由此產生的火星表面和火衛一上方的任何亞軌道速度。第二個是能夠進行完整速度轉移到火星表面的單個大型太空繩。第三個是軌道太空繩與地面加速器相結合。實際上，此類系統可以隨著時間的推移而發展和演變，並且其他一些尺寸或版本可能最終成為最佳選擇。在選擇方法之前，需要進行更詳細的分析並瞭解交通需求。目前，我們僅將這三個作為起始概念。

LMO到火衛一太空繩

軌道力學 - 行星質量M與萬有引力常數G的乘積稱為標準引力引數或 $\mu$ 。火星的值為 $\mu$ = GM = 42.828 x 10^12 m³/s^-2。此值可用於透過以下公式計算圓形軌道速度

v_{o}\approx {\sqrt {\frac {GM}{r}}}

火衛一距火星中心的平均半徑為9,377,000米（我們必須使用所有SI單位，而不是其倍數），我們可以確定火衛一的軌道速度為2137 m/s。由於火星的赤道半徑為3,396公里，因此火衛一距地表5,981公里。對於橢圓轉移軌道，其中r是距天體中心的當前半徑，a是半長軸或橢圓長軸的一半，則任何點的速度都可以透過以下公式找到

v^{2}=\mu \left({\frac {2}{r}}-{\frac {1}{a}}\right)

我們希望我們的下部太空繩避免大氣阻力，在大約160公里高度時，大氣阻力開始變得顯著。然後我們初步設定到達火星地表上方240公里處，以考慮下部太空繩的長度。如果我們希望從火衛一轉移到火星地表上方240公里處（r = 3636公里），則轉移軌道的最高點和最低點的速度以及下部太空繩中心的計算如下

轉移軌道最高點：r = 9,377,000 m ; a = 最高點和最低點高度的一半 = 6,506,000 m ; 根據公式 $v^{2}=$ 2,551,844 m^2/s^2，因此v = 1597 m/s。
轉移軌道最低點：r = 3,636,000 m ; a與前一個相同 = 6,506,000 m ; 因此 $v^{2}=$ = 16,974,909 m^2/s^2，v = 4120 m/s。
200公里太空繩中心速度：r = a = 3,636,000 m ; v = 3,451 m/s。

從火衛一到轉移軌道的速度差為540 m/s，從轉移軌道到下部太空繩中心的差為669 m/s。與我們之前研究過的月球或地球軌道太空繩相比，這些速度相對較小，因此它們將具有相對較低的質量比。假設尖端在1個重力下，火衛一太空繩的半徑將為29.75公里，而LMO太空繩的半徑將為45.6公里。我們關於80公里總長度的初始假設相當接近，並且結構在垂直時僅延伸到160公里以下，因此目前我們忽略了差異。火衛一受潮汐鎖定於火星，始終一面朝向火星，但它沒有鎖定在圍繞火星指向軸的旋轉上，太陽的潮汐變化和輕微的軌道偏心率會導致它擺動。因此，火衛一太空繩可能不應該直接連線到火衛一，而應該放置在附近。

由於太空鉤的末端速度較低，因此它們的質量比都較低。因此，在轉移貨物時，它們會使其自身的軌道發生很大的偏移。解決方案是在它們的中心點用來自火衛一的足夠數量的壓載質量來固定它們。低火星軌道太空鉤可以以其自身軌道速度減去自轉速度的速度放下貨物，即3,451 - 669 = 2,782 m/s。火星的赤道自轉速度為241 m/s，因此相對於地面的速度將為2,541 m/s。這相當於軌道速度的73.6%和軌道動能的54%，可以透過阻力來耗散。要從火衛一達到火星逃逸速度，需要增加884 m/s。由於我們的火衛一太空鉤可以增加540 m/s，因此還剩下344 m/s需要透過其他方式來完成。總的來說，我們的兩個太空鉤可以提供從火星表面逃逸的5,027 m/s中的2,418 m/s，即48%。對於這樣一個小型系統來說，這是一個顯著的推進節省，並且火箭部分往返火星運輸的質量比和有效載荷分數將得到很大改善。

碳纖維是建造此類結構的絕佳材料。當地生產中可以使用三種可能的碳源。火星的衛星火衛一和火衛二可能含有某些碳，但目前的觀測表明，它們在這方面的含量較低。還沒有探測器訪問過這些衛星或對其進行過足夠近距離的觀察以確定這一點，因此我們還不能排除它們。從運輸的角度來看，它們位於火星軌道上，是首選的來源。75%的小行星是碳質型別，並且火星附近有很多小行星。火星大氣層96%是二氧化碳。因此，如果衛星不合適，這些是替代來源。玄武岩纖維不如碳纖維強，但火星表面主要覆蓋著玄武岩。這是一種可供選擇的建築材料。最後，對於較小的太空鉤，從其他擁有更發達工業的地方運輸也是一種選擇。

低火星軌道至地表太空鉤

完整的軌道到地面太空鉤是一個更大的系統。在交通量增長到更高水平之前，它可能在經濟上毫無意義，但讓我們來看一下一個可能的方案。首先假設一個1000公里高的軌道。這將使火星中心的半徑為4,396,000米。根據上述公式，我們計算出軌道速度為3122 m/s。減去火星自轉的241 m/s，得到相對速度為2881 m/s。如果末端處於1個重力的向心加速度，那麼太空鉤的半徑將為846公里，並且當太空鉤垂直於火星平均海平面以上154公里時，末端將變得靜止。這應該足夠高以避免明顯的空氣摩擦。火星全球探勘者號航天器使用了一個大約175公里最低點的無阻力保持軌道，以及120公里到135公里之間的主動大氣制動。它在3,500到5,000 m/s的圓形和逃逸軌道速度之間移動時這樣做。因此，在最低點速度接近零的太空鉤不應該遇到太多阻力。

結構載荷從中心的零到末端的1個重力不等，因此平均為0.5個重力。結構的總應力為423 g-km。已知強度最高的碳纖維為7 GPa，密度為1790 kg/m³，因此在1個重力下的比強度為399 g-km。工程系統的設計永遠不會達到極限強度，因為它們會在這一點上失效。允許2.4的安全係數，我們的設計強度為166 g-km。結構質量隨總應力與強度的比率呈指數關係，因此太空鉤的每個臂的質量是有效載荷質量的11.78倍，整個結構的質量是有效載荷質量的23.6倍。對於一個將被多次使用的系統來說，這是一個合理的比例。

從圓形軌道逃逸的速度高出41%，而這個太空鉤可以在旋轉的上部提供93%。因此，它可以捕獲來自逃逸速度以上有效載荷，並將有效載荷注入到逃逸速度以上，且具有顯著的餘量。然而，捕獲失敗的可能性引發了一個安全問題，因為有效載荷隨後將飛過火星。如果它搭載人員，實際設計要麼只從逃逸速度以下捕獲，要麼攜帶一種備用的減速方法。

低火星軌道太空鉤與地面加速器

帕弗尼斯山是火星赤道上一個14公里高的盾狀火山。它在火星自轉方向上有大約120公里的可用斜坡。假設人員和貨物的極限加速度為6G，則可能達到3757 m/s的速度。這高於低火星軌道所需的3313 m/s，因此可以使用更短的加速器（93公里）或更低的加速度（4.5G）。山頂的大氣壓為140 Pa（海平面地球的0.14%），這對加速沒有障礙，但會產生一些阻力，並且永久軌道需要一些推進力才能圓化。這麼大的地面加速器將是一個大型的建設專案，因此考慮使用較小的加速器和較小的太空鉤的組合系統，而不是兩者都提供全部速度變化以進入軌道是有意義的。

讓我們以一個能夠達到火星逃逸速度的低軌道太空鉤為例。然後，它可以透過選擇太空鉤上的釋放位置來到達火衛一、火衛二或其他中間軌道。我們首先猜測軌道高度為360公里，以避免大氣並允許太空鉤半徑。軌道速度根據上述公式計算得出為3377 m/s。從該點逃逸的速度為4775 m/s，這需要增加1398 m/s。在1個重力下，半徑為199公里，不到上一節中完整軌道到地面的版本的四分之一。總應力為99.65 g-km，使臂的質量為有效載荷的0.86倍，整個結構的質量為有效載荷的1.73倍。這比完整軌道的情況減少了13.5倍。與其他小型太空鉤一樣，它需要大量的壓載質量才能避免在加速有效載荷時將其自身丟擲軌道。199公里的半徑導致最低點的高度為161公里，並證實了我們避免阻力的猜測。

當我們將末端速度從軌道速度中減去時，這在最低點發生，我們得到圍繞火星的淨速度約為1979 m/s。火星的自轉使相對於赤道的速度為1738 m/s，或無輔助進入速度3554 m/s的49%。因此，只需耗散1/4的動能即可再入，這應該很容易。向上移動時，6G的地面加速器必須長25.2公里，在較低的加速度下則更長。這比全速加速器短3.7倍，並且所需的能量也減少了相同數量。因此，在組合情況下，太空鉤和地面加速器都明顯更小。兩者之間工作的最佳分配，或者是否只使用其中一個，將取決於成本和設計細節，現在判斷還為時過早。然而，我們現在已經足夠了解，可以至少考慮將組合方案用於未來的火星運輸系統。

根據所需速度、加速時間和貨物，地面加速器可以是線性的或離心的，線上性情況下可以是電磁的或氣壓驅動的。離心情況將由電動機驅動。氣壓和離心方法更適合於在高加速度下運輸散裝貨物，這使得加速器更緊湊。人員和精密裝置的加速度限制在6G或更低，這需要更長的加速路徑。在這三種主要概念中，先進的運輸系統可以隨著時間的推移逐步建設。高階系統無法處理的部分將由傳統的火箭推進提供。高階系統提供的任何部分都將降低推進劑需求並增加相對於全火箭情況的有效載荷分數。這些節省是建造高階系統的理由。太空鉤並不能消除對推進的需要。如果它們的交通不平衡，它們仍然需要一些推進力來維持穩定的軌道。但電力推進的效率至少高十倍，因此推進劑需求大大減少。如果向下的交通量大於向上的交通量，太空鉤的高度將增加。在這種情況下，可以利用大氣阻力有意地減緩其速度。壓載質量可以來自火星的衛星或附近的小行星，並透過大氣制動減速。因此，將其部署到位應該不需要消耗大量能量。

火星地表系統

建設

將需要土方裝置用於多種用途。火星表面不像地球那樣受到輻射保護，因此長期棲息地需要用一層土壤來保護。著陸區需要平整，並在其周圍建造防護土堤，以防止排氣羽流吹蝕附近的裝置。貨物運抵地面後，需要進行搬運、起吊和組裝，因此需要能夠完成這些任務的裝置。大多數場地準備工作可能將由遙控機器完成。

電源

太陽能電池板是火星地表上可行的電源。除了沙塵暴外，很少有云層，而且大氣稀薄，這部分彌補了距離太陽更遠的不足。當需要大量電力時，可以增加放射性同位素或反應堆裝置。

現場推進劑製造

在火星表面生產推進劑已被廣泛研究，因為它降低了“插旗和足跡”任務從地球帶來的質量。如果我們已經擁有強大的軌道採礦和加工能力以及用於運送貨物的太空吊杆，那麼早期在當地生產燃料與交付相比可能沒有太大好處。需要審查這樣做的經濟性。對於行動式電源，例如在移動車輛中，以及用於返回任務中到達太空吊杆的火箭推進劑，氧氣/甲烷燃料混合物是一個合理的組合。一旦燃料需求足夠，在當地生產它將更有意義。

線性加速器

帕弗尼斯山位於火星赤道，有一個約175公里長的斜坡，上升約6.5公里。如果需要從火星運送大量貨物，則可以在此處使用氣體或電磁加速器。如果使用整個斜坡，則可以使用人類可承受的加速度（3.6倍重力）達到軌道速度。這不會是早期系統，因為需要足夠的交通量才能證明如此大型的設施是合理的。另一種選擇是在山頂上安裝離心彈射器，用於早期貨物發射。

在軌道上建造一個旋轉太空電梯（旋轉器）並將其與帕弗尼斯山上的線性加速器耦合是完全可行的（http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Pavonis_mons_topo.jpg）。您擁有60-120公里的坡道空間，並且幾乎沒有大氣層，因此在3倍重力和60公里的情況下，您可以達到火星軌道速度的一半，而旋轉器則提供其餘部分。

長期發展

過去經常使用“改造火星”這個短語。這不是一個好的短語，因為它意味著“使火星像地球一樣”。由於軌道和質量差異，我們無法使火星完全像地球一樣，我認為這也不應該是目標。我更喜歡“人性化”這個詞，意思是使其更適合人類。它也可能意味著修改人類使其更適應火星環境（如較低的重力）。應將對火星的大規模改變推遲到我們對該星球上是否存在任何本地生命有一個明確的認識之後，即使在那時也要謹慎考慮和深思熟慮。它們還應推遲到火星上有足夠多的人口來證明這些大型專案是合理的。因此，接下來更多的是回答從技術角度來看什麼是可能的，而不是說“我敦促你做所有這些”。

磁層

火星缺乏強大的磁層——圍繞行星的磁場，它捕獲並轉移來自太空的帶電粒子。地球有一個磁層，這是由於我們星球核心產生的磁場。強大的磁層保護大氣免受太陽風和其他粒子撞擊高層大氣而緩慢剝離。除了攪動行星的核心之外，可能還有一些其他方法可以產生磁場。任何一種方法的實用性還有待確定。

沿著緯度線執行一根或多根超導電纜，就像任何載流導線一樣，都會產生磁場。
在火星軌道上放置一定數量的鐵鎳小行星並將其磁化，並將它們的磁場指向相同的方向。
火星是紅色的，因為它表面有很多氧化鐵。提取鐵並將其磁化。您可能能夠同時將鐵用於其他用途，同時它也是一塊磁鐵。

與超導體相比，製造磁場的磁鐵斷裂的方式更少，但是如果超導體99%的時間都能工作，那麼剩下的1%對長期大氣損失的影響並不大。一些大氣洩漏仍然會發生，因為火星比地球小，因此原子更容易逃逸。

溫室

如果您想消除洩漏，並在不匯入一顆行星大氣的情況下將壓力提高到可呼吸的水平，則可以使用溫室穹頂。如果您確實需要空間，您可以逐步擴充套件穹頂以覆蓋整個星球。為了在火星上創造地球海平面壓力，一個壓力平衡穹頂將由10米厚的石英、玻璃或等效材料組成，您可以從火星表面材料中提取這些材料。較輕的穹頂往往會漂浮起來，因為內部壓力高於周圍空氣。在這種情況下，需要將它們固定住，以防止它們漂浮起來。一個非常大或行星穹頂不需要太多東西來支撐它，只需要一些塔或電纜來防止它橫向移動。

您可以設計透明材料，例如裝甲玻璃，使其具有抗損壞性，並且10米的任何東西都非常難以破壞。但是任何東西都可能被破壞，因此需要認真考慮如何處理損壞。作為溫室，您可以利用“溫室效應”，即地面輻射回的紅外熱量的捕獲。您可以專門選擇玻璃型別或添加塗層來捕獲紅外線。您還需要阻擋太陽紫外線輻射，而火星大氣層不會阻擋這種輻射。在地球上，溫室效應是一個問題，因為我們不希望地球比現在更熱。在火星上，這是一個解決方案，因為目前那裡對我們來說太冷了。

完整大氣層

如果您發現住在穹頂下令人反感，則需要在可呼吸的水平提供完整的大氣層。這是一項非常艱鉅的工作，因為行星很大。在火星上，您需要為這顆行星的每一平方米提供25噸的大氣層，或者總共36億億噸。這是為了提供一個地球大氣壓。如果您對較少的氧氣（類似於地球上的山區）和不同的空氣混合物感到滿意，那麼您可以用更少的量湊合。儘管距離較遠，但獲取足夠氮氣最容易的地方可能是柯伊伯帶，它位於海王星軌道之外，冥王星也是其中的一部分。您可以利用來自海王星的“反向引力彈弓”將材料送入太陽系內部。太陽系內部的氮氣相當稀少，並且從任何具有深重力井（如地球）的地方獲取它都需要大量的工作。一些外層衛星可能含有足夠的氨氣（NH3）。

[待合併文字]

前面各節中討論的組合系統是到達火星的不同途徑。它們逐步構建能力，每一個都為下一個做準備，並且通常使用機器為人類鋪平道路。在本節中，我們將討論到達火星的最後步驟，在之前我們組合系統的技術基礎上進行構建。火星是我們已知的與地球最相似的行星，因此我們還將提及一些長期發展的想法。如果發生的話，它們將在以後進行，屆時火星和太陽系將得到更充分的發展。