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）尚處於開發階段，無法為此專門設立完整的章節。目前，我們將把關於這些階段的早期想法集中在這個地方，以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，以及圍繞太陽的距離為 1.8 AU 的內行星際區域（第 4C 階段）。這些內容之前在本書的第 4.5 至 4.7 節中有所描述。這三個區域是距離地球最近、最容易到達的區域，因此我們預計它們將率先開始開發。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 - 主帶和小行星群；第 4E 階段 - 外太陽系行星際；以及第 4F 階段 - 散佈帶、希爾德雲和小行星群。這些階段將在更遠的未來實現，因此我們的概念對它們的開發程度較低。

第 4D 階段 - 主帶和小行星群開發

第一個已知的小行星，1 Ceres，恰好是在 19 世紀的第一天——1801 年 1 月 1 日被發現。在那個世紀，又發現了 462 顆小行星，到 1951 年，總數已達到 2,158 顆。從那時起，更大口徑的望遠鏡、電子感測器和自動分析極大地增加了已知的數量。到 1995 年，數量達到 28,000 顆，到 2005 年達到 280,000 顆，到 2017 年達到 750,000 顆，並且仍在迅速增加（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小行星帶 的區域。現在我們知道小行星存在於整個太陽系，從水星軌道內部到遠超海王星的區域都有。從數量上看，大多數小行星仍然位於主帶，但這可能是觀測偏差。離太陽越遠的小行星越暗淡，因此我們往往只發現較大的小行星。離太陽越近的小行星，由於太陽本身的干擾，以及我們看到的是它們未被照亮的一面，所以很難看到它們。

儘管小行星在整個太陽系中都存在，但出於專案目的，我們根據它們到太陽的距離將它們分為四個區域，每個區域都有一個獨立的階段。這是由於太陽能通量、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不同設計。主帶和小行星群區域的開發是第 4C 階段內行星際區域工作的延伸，因為該區域更靠近地球，因此開發也更早。這兩個區域都有軌道偏心率範圍很廣的天體（圖 4.n-2）。因此，每個天體到太陽的距離都有所不同，而且整體軌道相互重疊，這使得區域邊界變得模糊。我們為該區域設定了一個內界限，位於火星之外，半長軸為 1.8 AU，在這裡主帶小行星的密度明顯增加，外界限為 5.4 AU，在這裡木星特洛伊小行星群的密度下降。這是一個任意選擇，但它包含了大量數量較小、環境相似的天體。因此，我們可以為整個區域開發一套共享的設計。

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 AU 之間，它們的密度最高。它還包括希爾德小行星群，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 AU。最後一個主要群體是木星特洛伊小行星，它們佔據了木星前後的拉格朗日點。它們與木星具有相同的平均距離，在 5.2 ± 0.15 AU 的範圍內。該區域中只有一小部分人口不屬於這些主要群體。該區域不包括木星本身及其周圍 2000 萬公里內的軌道（見第 5D 階段，下文）。

在歷史上，小行星和彗星被認為是不同類別的天體。我們現在知道，有些天體實際上是曾經的彗星，它們已經失去了大部分揮發物，現在看起來像小行星。有些被識別為小行星的天體仍在釋放蒸汽，其中最突出的例子是最大的天體穀神星。因此，合理地將該區域中的所有小型天體視為一類，它們具有不同的成分和太陽距離。我們將使用“小行星”來指代所有這些天體，因為它們的數量遠遠超過其他天體。傳統上稱為短週期彗星的物體，它們的半長軸在 1.8 到 5.4 之間，被納入我們的“小行星”類別，但它們只佔總人口的 0.1%。

小行星的大小範圍從直徑 945 公里的 1 Ceres（現在被認為是矮行星）到行星際塵埃（亞毫米級）不等。塵埃成分的壽命很短，在該區域的總質量中所佔比例很小。大約每秒 100 萬噸的太陽風粒子以高速穿過該區域，但流量非常稀疏，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，相當於地球目前總開採產量的 1600 萬年。所有這些資源都可供有決心進行開採的人使用，因為小行星上的低重力造成了低地下岩石壓力。總質量的大約一半集中在四個最大的天體中：1 Ceres、4 Vesta、2 Pallas 和 10 Hygeia。

小行星的成分差異很大，這是由於它們形成和歷史的差異（DeMeo, 2015）。透過光譜觀測和隕石檢查（其中許多是掉落的小行星碎片），我們可以識別出許多成分組。然而，只有少數小行星被航天器訪問過，因此在大多數情況下，它們的成分細節還有待進一步驗證。

從最大的天體穀神星到達軌道的速度只有 270 米/秒，或比從地球到達軌道的動能低 860 倍。因此，一旦您靠近這些小行星，就可以很容易地將它們上的物質運出。主要的能量成本是改變繞太陽的軌道以到達它們。除小行星周圍和上面的陰影區域外，該區域始終有太陽能可用。強度是地球附近強度的 31% 到 3.4%。對於黑色物體，環境溫度在 244 到 217K（-29 到 -56C）之間，而對於顏色較淺的物體，溫度更低。從地球到該區域的旅行時間通常需要數年才能使用最節能的軌跡，對於沒有保護的人來說，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，因此大多數用途都將在未來實現。豐富的多種成分的原材料，以及集中後充足的能量，將使採礦成為早期活動。最初，材料將被運送到之前開發的區域，這些區域更加發達，擁有更高的太陽強度，可用於進一步加工。當條件允許時，種子工廠可以幫助啟動當地的一系列產業，並最終實現大規模居住。該區域擁有足夠的原材料和能源來支援一個完整的文明。

該區域最大的天體是矮行星1 Ceres。赤道軌道速度為 359 米/秒，赤道自轉速度為 94 米/秒。因此，要到達軌道，需要 265 米/秒的淨速度。這個速度可以透過一個輕鋼離心機實現，而且可以輕鬆地透過任何先進材料實現。因此，從任何其他主帶小行星（比穀神星更小）上的大量物質發射都不需要任何火箭推進。穀神星的 1-g 天鉤半徑將為 7 公里，允許宇航員和裝置在低加速度下著陸和起飛，並且維持軌道的反應質量成本為淨質量流量的 0.5%。因此，任何小行星的表面訪問都不應有困難。對於較小的天體，操作更接近於零重力對接，而不是從軌道上著陸。

對於較小的天體，留在表面會比起降更困難。例如，按直徑排名第35大的小行星是 **9 智神星**，它的赤道半徑為 170 公里，質量為 1.47 × 10¹⁹ 公斤。這使得它的表面重力為 0.034 米/秒²（地球的 0.34%）。自轉週期為 5.08 小時，這使得自轉速度為 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，人類或低速機器可以將物體拋入軌道，並且需要牢固的錨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提高光強度。集光反射器可以在所有距離產生高溫，用於工業過程或加熱棲息地。隨著你離太陽越來越遠，需要的反射器數量也越來越多，但在零重力環境下沒有天氣，反射器本身的質量很低。請注意，該區域的總太陽能可用量與內行星際區域的總太陽能可用量一樣多，與太陽的總輸出功率相同，即 3.83 × 10²⁶ 瓦。它是相同的總太陽能通量，只是隨著距離的增加而變得更加分散。不同的是，主帶和特洛伊群區域可利用的原材料比內部區域多。

小行星通常覆蓋著不同大小的岩石和塵埃混合物。這是它們一生中反覆撞擊以及對鬆散軌道物質的引力吸引的結果。事實上，一些小行星的密度非常低，它們一定是“礫石堆”，沒有堅固的中心體。鬆散的物質使表面開採變得容易，但與此同時，大多數小行星都很小。岩石和塵埃很容易被擾動，並可能成為開採和生產作業的危害。因此，必須注意如何小心地移除材料，而不造成太大的擾動。然後，它們被拖船運送到其他地方，或者運送到附近的加工廠，遠離任何產生的塵埃雲。對於大型作業，可以圍繞整個小行星建造一個充氣或組裝的外殼，以將塵埃控制在內部。然後，加工裝置可以連線到外殼外部，材料可以持續供應，直到小行星被消耗殆盡。由於塵埃和碎片被控制在內部，可以使用更強力的開採方法。由於小行星的大小和型別相似，開採和加工方法應該在更早的內行星際區域開發出來。唯一不同的是，主帶和特洛伊群區域中一些天體的尺寸更大，它們的重力足以在設計中發揮作用。

居住

該區域的棲息地可以從先前區域的未修改設計開始，除了增加反射器以提高功率並保持溫暖。早期的單位可以從內部區域完整地交付，並隨著時間的推移逐漸移動到該區域。由於可以持續獲得附近小行星的供應，因此無需一次性交付所有單位。一旦在理想的位置就位，例如圍繞穀神星執行，早期棲息地可以透過製造和組裝更大的棲息地的結構部件來擴充套件，然後是一系列尺寸不斷增大的外殼。穀神星位於主帶最稠密的區域的中心，因此，前往附近成分不同的天體的供應旅行將相對容易。這使其成為開始該區域大規模發展的理想候選地。

運輸

該區域可以使用與內行星際區域相同的運輸方法。主要區別在於為太陽能電池板新增反射器，或為熱能發電單元新增更大的反射器，以彌補較低的太陽輻射強度。離心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將貨物送上軌道。

服務

該區域的第一項服務功能將是通訊、科學探索和勘探，以詳細確定可利用資源的位置和定義。其他服務將在以後確定。

第4E階段 - 外行星際開發

外行星際區域是在內行星際區域（第4C階段）和主帶與特洛伊群區域（第4D階段）之後開始開發的第三個此類區域。它是下一個物理距離，涵蓋半長軸從 5.4 到 50 個天文單位的軌道。它不包括土星、天王星和海王星的主要行星，它們衛星，以及圍繞每個行星的軌道區域，這些區域被分配到第 5E 階段。截至 2017 年，只有少數航天器到達了該區域，其中大部分是針對主要行星和冥王星的，因此它在很大程度上是未經探索的。我們迄今為止的大部分資訊來自地球上或地球附近的觀測結果。

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，已知人口已增長到 **半人馬** 類（圖 4.n-3）中的大約 275 個，以及 **柯伊伯帶** 類（圖 4.n-4）中的近 1800 個。半人馬的軌道在四顆氣態巨行星（包括木星）的軌道之間或穿過這些軌道。這往往使它們的軌道不穩定，持續時間很短。海王星外類整體上大部分或全部時間都比海王星更遠，因此它們的軌道更穩定。海王星外類內部，即 30-50 個天文單位的大量天體，被稱為柯伊伯帶。該區域還有大約 20 個已知的 **特洛伊** 天體，它們的軌道與外層氣態巨行星（主要是海王星）相關聯，以及大約 240 個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，形成具有不同軌道和成分的連續範圍的天體。彗星的特徵是它們有時會足夠靠近太陽，從而主動地失去氣體和塵埃。從歷史上看，這使得它們很容易被發現。但在其他時候，它們像小行星一樣不活躍，它們保持更一致的距離。目前的天文望遠鏡難以找到該區域中直徑小於 10 公里的不活躍天體，因此我們的統計是不完整的，並且還在不斷增長。

該區域已知的天體中，大約有六個（冥王星、妊神星、鳥神星、厄里斯、誇奧爾和瓦爾達）足夠大，可以被認為是矮行星，估計大約 675 個天體的直徑大於 100 公里。該區域的總質量估計為 240-600 × 10¹⁸ 噸（地球的 4-10%），這是一個非常大的總可用材料量。除了最大天體的更深處之外，理論上大多數材料都可以獲取。由於重力和密度普遍較低，地下壓力對開採作業來說不會太高，內部溫度可能不會太高，不會成為問題。半人馬的成分很可能是混合的。由於它們的軌道不穩定，它們最初來自其他地方，在那裡形成條件不同。在其中幾個天體上檢測到了水冰和碳化合物。

整個木星外區域都在 **霜線** 之外，霜線是原始太陽星雲中水冰可以凝結的距離。因此，該區域普遍存在水，而其他冰，如甲烷、氨和氮，則存在於外部區域，那裡當地的溫度足夠低，可以使它們也凝結。由於太陽系的形成，不透明的太陽星雲已經散去，太陽逐漸變亮，在給定距離處的溫度也逐漸升高。因此，最初穩定的表面物質已經蒸發。它們可以存活到現在的物體內部。自形成以來軌道的變化也會影響這些物體中剩餘的東西。較大的天體在形成過程中經歷了撞擊加熱，並在之後經歷了放射性加熱。這導致它們按密度分層。名義上，這將是金屬和岩石物質在中心，冰物質在表面。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層。由於很少有這些天體被近距離探索，我們目前只能籠統地說。需要進行更多探索和勘探，才能開始利用來自該區域的材料，並開始當地開發。

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部的最低速度接近太陽系逃逸速度，或 12 公里/秒。這種軌道需要 60 多年，因此使用更多能量的更快運輸方式是可取的。那麼使用該區域的主要能源成本就是首先到達那裡。需要引力輔助和先進的推進系統才能在合理的時間內訪問該區域，或者需要很多耐心。

可利用的總太陽能與前兩個區域相同，即太陽的總輸出。但是，單位面積的強度很低，只有地球軌道值的 3.4% 到 0.04%。這將需要大型反射器來提高強度，或者使用核能或其他能源。環境溫度非常低，黑色物體的溫度從 217 到 70K 不等，淺色物體的溫度更低。從地球到該區域的旅行時間通常為數年。不受保護的輻射水平很高，偶爾會對人類造成致命傷害，並會在長時間內對裝置造成損害。往返通訊時間在直接路徑上為 1.2 到 13.6 小時，如果需要中繼來避免太陽，則通訊時間略長。

開發專案

該區域可能距離太遠，無法用現有的技術進行太多科學探索。當文明擴充套件到前幾個區域，並且擁有更好的技術後，該區域的首要用途可能是開採大量的原材料。這些材料將被運回內部區域，那裡有更高的能量密度，可以用來加工它們並用於其他活動。低溫和密度分類的組合使各種冰成為最早可獲得的資源。該區域的利用還很遙遠，技術可能會在不可預見的方向上取得巨大的進步。因此，我們提出的任何關於該區域的概念都應被視為非常初步，並且很可能發生變化。

生產

在技術大幅提升之前，我們預計該區域不會進行大量生產，除了採礦。像水和氮氣這樣的冰對人類非常有用，而且在該區域大量存在。因此，一旦需求足夠，採礦和運輸到內部區域就成為可能。運輸速度會很慢，需要數年時間，因此有動力建立一個運輸“管道”，在兩端設定車輛，將貨物運送到軌道並最終收集。貨物可以在運輸過程中無人看管，節省車輛時間。一旦管道裝滿，貨物就會按固定時間表到達。如果核聚變技術得到很好的發展，可能會形成以核聚變為基礎的經濟，實現全面生產和居住。我們沒有看到住在這麼遠的地方的強烈理由，而不是留在溫暖明亮的內部區域，但這樣的理由可能會出現。

對柯伊伯帶和更遠區域來說，一個挑戰是如何提供足夠的太陽能來運營。地球上的文明大約消耗 2.7 千瓦/人，我們預計太空地點的需求會更高，這既是因為更高的生活水平，也是因為需要人工完成地球上自然過程完成的任務。讓我們假設需要 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，我們允許每個人最多擁有 31.25 平方公里的反射器。要獲得 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，所以我們需要 44 平方米。由於我們允許的面積是這個面積的 711,500 倍，並且太陽能通量隨著距離的平方反比下降，因此我們可以提供到 843.5 天文單位的足夠太陽能，這是一個非常大的距離。超出這個距離，操作將侷限於低功率情況，或者需要其他能源，例如核能或能量束。

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利用大型天體的引力助推將成為主要的移動方式。如果核聚變技術還沒有得到充分發展，裂變將是唯一可用的核能源。地球和月球上已知存在有限的合適放射性元素供應。為了補充它們，可以在太陽附近生產人工放射性元素，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很好的發展，該區域存在豐富的氫，可以從中提取聚變燃料。隨著距離太陽的增加，軌道速度以及所需的軌道速度變化也隨之降低，下降幅度與距離的平方根成正比。太陽能通量下降得更快，與距離的平方成反比。因此，與更靠近的區域相比，太陽帆作為一種運輸方式的效力會降低。

服務

[待定]

概念細節

我們注意到136108 妊神星的一些特點，它是該區域外圍的一個大型天體。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。然而，較短的自轉週期（3.9155 小時）意味著它不是圓形的，而是橢球形的，長軸約為短軸的兩倍。長端處的圓形軌道速度約為 527 米/秒，而頂端本身的自轉速度約為 428 米/秒。因此，只需要大約 99 米/秒的速度變化就可以降落或起飛，這是太陽系中大型天體中最低的速度變化之一。如果妊神星保留了某種大氣層，它可能會形成一個圍繞短軸的環形結構。重力也會從長端到短端發生明顯變化。

階段 4F - 散射盤、希爾星雲和奧爾特雲發展

柯伊伯帶之外的廣闊空間是開始開發的第四個也是最後一個行星際區域。它包括半長軸從 50 天文單位到太陽引力支配範圍的極限的軌道，我們將其設定為 100,000 天文單位。儘管它涵蓋了巨大的距離範圍，但從地球測量時，它在能量上只是很小的一部分，佔達到太陽逃逸速度的最後 2%。截至 2017 年，只有四艘航天器在完成靠近太陽的初級任務後進入了該區域，第五艘將在幾年內進入。因此，我們幾乎所有資訊都來自地球上和地球附近的觀測結果。

區域特徵

長週期 和 近拋物線 彗星，它們的軌道大到足以被計入該區域，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。當接近太陽時，活躍的彗星很容易被看到。它們在加熱時會釋放大量氣體和塵埃，形成彗發和彗尾，可以延伸數百萬公里。當遠離太陽時，它們很冷、很暗、很惰性，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 - 主星體的直徑約為 350 公里，衛星的直徑為 160 公里。

該區域中已知的天體數量（截至 2017 年底）包括 100 顆長週期彗星和 420 顆近拋物線彗星，以及 440 顆散射盤天體，它們的軌道完全位於海王星之外，因此相對穩定。它們的名字源於被主要行星從太陽星雲中更靠近的軌道上散射出去，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。這將它們置於希爾星雲中，其軌道的遠日點範圍為 2000 到 10,000 天文單位。據推測，這是一個巨大的天體庫，被太陽形成時星團中經過的恆星散射到更遠的地方，並受其限制。再往外就是奧爾特雲，它在半長軸上延伸到 100,000 天文單位。我們有間接證據表明最外層區域存在大量天體，這是基於已知近拋物線彗星的軌道。奧爾特雲天體距離太陽足夠遠，會受到銀河潮汐以及經過的恆星和巨大的氣體雲的影響。這些力量有時會將它們送往靠近太陽的地方，我們看到它們成為活躍的彗星。

我們目前探測所有這些遙遠天體的能力僅限於目前距離太陽約 80 天文單位的較大的天體。因此，我們在過去 20 年的發現來自該區域中近日點距離小於 80 天文單位的天體，並且碰巧接近那個最小距離。由於軌道速度在更大距離處更低，那些具有高度橢圓軌道的物體大部分時間都太遙遠而無法看到。那些具有更圓形軌道並且始終保持在距離太陽 80 天文單位以上的物體，今天根本無法找到，大多數直徑小於 15 公里的物體也無法找到。因此，我們預計隨著儀器技術的進步，將在該區域發現更多倍的天體。

目前，該區域的總質量知之甚少，但估計是地球的4-80倍，這是一個巨大的物質儲備。這包括一個懷疑存在但尚未發現的第九顆行星，其質量可能與海王星相當（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觀測，因此即使我們無法直接觀察該區域的大部分物質，我們也能對該區域的成分有一個合理的瞭解。該區域最有可能由水、其他冰、複雜的碳化合物和一些較重的礦物顆粒混合而成。大約4%的物質起源於太陽星雲的內部區域，因此它們比揮發性化合物更岩石或金屬。該區域的太陽能非常微弱，低於地球附近的0.04%，環境溫度低於70K，降至接近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。這些因素再加上到達該區域所需的軌道能量，使得到達和開發該區域變得困難，儘管那裡可能存在大量物質。

開發專案

我們對該區域天體的瞭解不足以制定詳細的計劃，而且它們距離太遠，無法用現有的技術到達。因此，除了科學和探索之外的任何活動都將推遲到未來，待需求增加和技術進步之時。然而，當那一天到來時，我們將擁有來自該區域的極其巨大的物質儲備，可以用來開發利用。

生產

我們在第4E階段的生產部分中表明，即使距離太陽1000天文單位，也能夠獲得足夠的太陽能來維持生產和居住。在更遠的地方，可能需要核能或束能源。目前，除了材料開採之外的生產仍處於推測階段。

居住

[待定]

運輸

為了將前往該區域的運輸時間縮短到合理水平，需要使用極高能量的推進系統，例如核聚變。由於該區域外圍普遍存在聚變所需的輕元素，因此一旦建立起來，便可以自給自足。不幸的是，聚變技術尚未成熟，因此利用聚變進行運輸目前仍處於推測階段。

服務

[待定]