第1章
触手可及的承诺

又一个平凡的日子开始了。麦克拿起装备走向了控制室。这一班次的人都到齐了。没人生病，也没人受伤，因为除了麦克以外的“每个人”都是机器人。

这幅工作画面可以是在描绘墨西哥湾的海上钻井平台上的某个工作日，也可以是在描绘在小行星上提取水和贵金属的一个工作日。无论是哪种情况，麦克都是在极端环境下做一份有点危险的工作然后赚着大钱。他和团队中其他四个人每次都会离家一个月，住在系在小行星上方的相当舒适的设施中。他喜欢他生活中的悖论：每天的磨炼都是一次伟大的冒险。两名组员在安装新系统，另外两名组员和麦克轮班协调机器人的工作，这些机器人负责钻探、挖掘、收集、分析和处理资源。他们靠得相当近，以避免与机器人通信时出现信号延迟问题。

近地太空工业最终会将这份悖论摆在所有有技能有胆量的高学历人才面前。他们所做的工作将为地外定居点提供水和材料等资源，并将镍、铱、钯、铂、金、镁、锇、钌和铑等贵金属带回地球。

最后三种元素很少有人知道，但是和其他几种元素一样，你每天都能看见它们。锇于1803年被发现，用于制造非常硬的合金，比如圆珠笔和电触点中的合金。钌是1844年被发现的，现在用于制造太阳能电池，将光能转化为电能。铑是1803年被发现的另一种元素，你很可能会见过含有铑元素的熔炉线圈和飞机火花塞的电极。

2019年的一份《华尔街日报》（ Wall Street Journal ）上关于中美贸易摩擦的文章提道：

中美贸易谈判的重点是制造业，但美国谈判代表似乎忽视了中国在原材料领域逐渐取得支配地位，这对两国的安全和生活水平至关重要……

中国现在掌握着所有16种具有战略价值的稀土金属供应。 ¹

要点很明确。以猪肉、大豆和钢铁为重点的贸易摩擦掩盖了另一场重要的贸易摩擦，而这场被掩盖的贸易摩擦可能是西方经济未来的关键。西方要想赢得这场竞争，要么得合作谈判，要么得开发小行星和月球等近地天体。

我们可以在小行星和月球上开采到的矿物能变成奢侈的珠宝，也能成为汽车中的催化转换器。这些矿物已经成为我们地球经济的一部分了。不只是我们喜欢这些矿物那么简单，它们还是我们日常生活的基石。我们需要它们来为世界各地提供干净的水和在成本上可接受的交通服务。

虽然航天工业的技术进步速度很快，但是本章开头所描述的那种采矿画面仍然是一种对未来的美好幻想。必须先有对太空活动具有更深远认识的公司成型并取得发展后，人类才有可能通过小行星或月球矿业获得回报。也正是这类航天公司，不管是成熟的还是初创的，赢得了本书的关注。这些公司的工作是2035年或2040年太空活动的基石。到那时，我们可能开始开采天体并将月球上的定居点开发成人类的永久家园。

到这个节点后，所有好奇的人都会想知道开采小行星是否可行，因为它是零重力天体，机器人和人类都不能像在月球上那样活动（具体方法请见第6章）。不过，还有一个挑战：小行星的运动远比月球更无章法，因此开采的第一步是稳定小行星的位置。一种可行的解决方案是利用地月之间的拉格朗日平衡点，在那些位置上，月球引起的震荡模式将是有章可循的。

月球绕地球公转的轨道上一共有5个平衡点（见第6章的图6-1），在这几个点上引力和离心力在旋转中保持着平衡。这种平衡就和地月或是日地之间的平衡是一样的。处于这些位置的物体往往能花费最少的能量维持在该处。

L4和L5轨道是稳定待开采小行星的理想位置。而L1和L2轨道将是登月飞船的中转站或是月球资源大型捕集器的理想位置。正如尼尔·德格拉斯·泰森（Neil de Grasse Tyson）在他的《太空编年史》（ Space Chronicles ）中写到的一样：“对，月球是目的地，火星是目的地。但拉格朗日点也是目的地。” ² 小行星可以被利用并被当成卫星一样。美国国家航空航天局实现这一目标的愿景涉及了机器人任务（在第6章中也有更详细的探讨）。

财务动因和人文结果

阿波罗登月计划也许是人类最伟大的成就之一。但问题是，它是由一个政府构想和管理的，这个政府只是想让它成为地球上最引人注目的表演而已。这个计划反映出一个财政供养的庞大臃肿的太空官僚机构虽然能产生附带的技术价值，但它的计划比现实的目标多了一份奢望和无知，不够脚踏实地。

如果科学家们当时就和我们现在所想的一样，那么这场伟大的探险将成为一条直接获利的途径。如果它能改善数十亿人的生活，那自然无可指摘。但是阿波罗计划进行时，我们不知道近地天体能以矿物的形式提供巨大的财富。月球目前也蕴含着价值数万亿美元的矿物。

商业太空探索具有扩大经济规模的巨大潜力，因为它能提供许多国家迫切需要的资源，使大量人口脱贫。这不是乌托邦式的幻想，而是一种现实的愿景。一些人能够赚很多钱，而另一些本来一无所有的人也能拥有许多东西，比如水、暖气，并且他们能够经济实惠地得到这些必需品。

这并不一定意味着我们能避免为争夺资源而掀起的战争，比如我们为争夺化石燃料和其他珍贵矿物而发起过的战争。但这样的发展可能意味着争夺资源的战争发生的概率更低。

如果你们本来在操场上争抢糖果，这时一车瓶装花生酱掉进了操场，那你们的目标就会发生改变。

丰富的资源只是让我们普通人（而非宇航员）涉足小行星和月球，并在其上建造用于生活和工作的空间站的理由之一。我们还列出了其他几个主要原因，如寻求定居点、科研、生产和获取利润的需求。在本章中，我们会举例介绍关于这几个领域的活动是如何成形的。

定居点

在电影《极乐空间》（ Elysium ）中，一个空间站拥有先进的技术，为地球上的权贵们提供了一个“完美”的家。可以预见的是，冲突将最终导致地球上人类文明的崩溃，而人们也不计一切代价前往空间站。

好消息是：像埃隆·马斯克（Elon Musk）、杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）或是理查德·布兰森（Richard Branson）这些所谓的太空大亨们，都和朱迪·福斯特（Jodie Foster）在《极乐空间》中扮演的大反派有很大区别。换句话说，他们并没有打算为富人们设计并维持一个用于逃跑的居住设施。虽说富人的确会成为第一批太空游客（我们将在第8章中探讨这一现象），但他们的冒险意识以及他们为太空企业家创造利润的能力对我们所有人来说可能是一件好事。

而坏消息是：电影故事中所描述的即将分崩离析的文明确实是我们的未来。我们生活在地球上一个有限的系统中，人口不断增长，我们也不断消耗着有限的资源来维持所谓的发达国家的高水平生活。人类趋向于不断增长人口、占用土地、生产、浪费、开发和消耗资源。无论如何，这一切必须结束，否则社会将崩溃。即便我们能够从天体中提取我们所需的资源，我们仍然会面对人口不断增长的问题。而像《极乐空间》中那样的人造近地轨道空间站、月球和之后的火星也能帮助我们缓解地球的拥挤。

迈向太空居住设施的第一步可能是本章开头所描绘的那种环境，即类似于海上钻井平台那样的临时住所。这并不完全算是一个定居点，但这是人类适应太空前沿环境的第一步。在那之后，我们会将类似于军用即食口粮的东西带上飞船维持生命。我们将必须解决人类得以生存的基础需求：食物、衣服和住所。这些维持了我们的生存，也可以让我们的生活更有乐趣。

当然，我们目前还不能推断出月球或火星上的第一批住民会吃什么、穿什么或者睡在哪里。但是，我们确实能够依据现有基础来进行预测。我们了解关于定居点早期阶段的研究、发明和各种建议。

在帮助航天机构和公司解决地外环境中人类的食物、衣服和住所方面的挑战时，最为突出的实际上是表面上与航空航天领域无关的创造性思维。在本章和其他章节中，我们还将研究具有基本日常生活技能的人，他们在我们进入太空后会在生存方面发挥至关重要的作用——比如叉车操作员、裁缝和理疗师。

食物

你有望在月球上的自己的家中酿造啤酒，但实际上你只会期待吃到真正的汉堡（本章后面的研究部分将详细介绍啤酒）。在太空种植植物、制造水、将尿液回收净化成可饮用的液体，这些都是合乎逻辑且并不让人感到陌生的事情，但是没有人能列出充分的理由让太空飞船运送牛群。

1964年，瑞士的新陈代谢专家马克斯·克莱伯（Max Kleiber）在美国国家航空航天局举行关于宇航员在太空的营养和排泄物问题的专题会议时告诉参会人员，对于想吃肉的宇航员而言，哪种动物比牛更可取：

将体重500千克（1102磅 ）的一头牛带上太空，它能提供7.4兆卡的食物，这足够两个人甚至三个人吃。而总重74千克（163磅）的296只大鼠或是总重42千克（93磅）的1700只小鼠就能提供一头牛所能提供的营养。

当重量很重要时（越轻越好），宇航员应该吃炖老鼠而不是牛排。 ³

美国国家航空航天局选择资助将人类粪便回收为食物的研究而非支持开发炖老鼠的食谱。2018年，宾夕法尼亚州立大学的研究人员宣布，他们开发出了一种回收系统，这个系统利用粪便培育可食用的细菌——它们的生物反应能将人类的固体排泄物分解成盐和甲烷气体。细菌以气体为食，形成富含蛋白质的糊状物。

在1964年的会议上，除了克莱伯提出的“老鼠论”，专家们还讨论了如何依靠种植植物来长期为太空旅行者提供食物。他们探讨了种植藻类、莴苣和大白菜的可能性。在两年半后，威斯康星大学的园艺学教授西奥多·蒂比茨（Theodore Tibbitts）帮助美国国家航空航天局取得了一项重大突破——豆类种植。

在20世纪60年代早期，蒂比茨密切关注着美国国家航空航天局的太空发射时间表。每当水星载人飞船（Mercury）或是双子星载人飞船（Gemini）升空时，他就会带上一家人守在黑白电视前看着宇航员飞入太空。虽然他是一位研究烟草、生菜和豆类的植物科学家，而且专长是研究卷心莴苣，大部分时间里他都在威斯康星州的泥炭地里帮农民提高产量，但他对太空有着非常浓厚的兴趣。

1965年，美国国家航空航天局宣布，作为登月计划的一部分，他们将尝试在太空中种植植物并拍摄植物的生长过程。他们想在近地轨道实验室中验证1964年会议中大家的推测。

美国国家航空航天局的行动涉及生物卫星，他们与洛杉矶的北美航空公司合作，开始寻找园艺专家合作进行该项目。在外太空培育并拍摄植物的生长过程并非易事，由于处于失重状态，土壤会飘浮，水会变成飘浮的水滴。很巧的是，蒂比茨正要休第一个学院轮休假。他申请参与生物卫星项目，美国国家航空航天局同意了。1965年，蒂比茨搬到洛杉矶的太平洋帕利塞德市，他在那待了一年，帮助美国国家航空航天局开发第一个装着豆类飞上太空的航天器，并用电影摄像机记录它们是否会生长、如何生长。

在加利福尼亚帮助美国国家航空航天局开发豆类培育系统一年后，蒂比茨回到了威斯康星大学。然后，在1966年12月14日，美国国家航空航天局发射了“生物卫星1号”并证明了植物可以在太空中生长。该实验还揭示了一个独特的现象：尽管没有白天和黑夜之分，豆叶还是会随着日落和日出的节奏而摆动。通过延时摄影可以观察到，豆叶会在零重力环境下轻快地摆动，就像是在游行中欢快挥手示意的公主一样。

紧接着的是1967年9月发射的“生物卫星2号”，蒂比茨发现自己已经成为一名太空植物学家，他也越来越想要参与到更多的太空飞行之中。这份热情的表现方式也十分不寻常。在他第一次乘坐波音747飞往洛杉矶进行进一步研究时，飞机遭遇了猛烈的湍流。虽然空乘人员警告说“系好安全带，不要离开座位”，但他却悄悄对自己十岁的儿子斯科特说：“跟我来，他们不会看见我们的！”然后，他解开安全带，带着儿子偷偷溜到飞机的后部厨房待在别人看不见的地方，等待乱流使飞机急速下降。他们俩抓住飞机下降的时机跳了起来，得以在厨房里飘浮一两秒钟，体验失重的感觉。“只是想体验一下宇航员的感觉。”斯科特给我们讲了他小时候的这个故事，而他也投身了太空事业，这个故事正与火星有关。 ⁴

在飞机上这一跳的30年后，西奥多·蒂比茨仍在与宇航员们肩并肩工作着。

在1988年，威斯康星大学园艺系西奥多·蒂比茨领导的团队发表了一篇名为《太空中种植土豆的栽培体系》（ Cultural Systems for Growing Potatoes in Space ）的论文。如果你读过或者看过《火星救援》（ The Martian ），那么你可以认为马特·达蒙（Matt Damon）在电影中的火星求生的理论基础就是由蒂比茨提出的。《火星救援》一书的作者安迪·威尔（Andy Weir）理解了蒂比茨在论文中所阐述的内容并精准地对其进行了戏剧化改编，阐明了在其他天体上居住的人们是如何重新思考食物的培育种植事宜，又有哪些作物可以培育出来：

有必要回收所有不可使用的植物部位和所有人类排泄物以便重复利用全部化合物元素。马铃薯是最理想的作物之一，因为它们产量极高，每公顷田间种植产量超过100吨；以干重计算，可食用块茎富含可消化淀粉（70%）和蛋白质（10%）；可食用块茎占植物总重高达80%；很容易利用块茎和组织来进行培养；在被食用前，块茎加工过程最简单；马铃薯可以制成不同的形态以供食用。 ⁵

所以，如果你想加入到太空探索中，那么园艺学可以加入你的职业技能学习清单中了。

但是，太空土豆学家只是园艺/农业团队成员的一部分，另外还应包括翻斗式装载机和水提取设备的操作员。使用装载机等重型设备的培训将在劳工培训学校进行，而从事抽水作业的人员可能包括了工程师、技工和劳工。

还需要考虑的是，操作和修理重型器械的劳工为了要在天体上进行操作，需要更多的培训。熟悉月球土壤和冰冻小行星的人需要为那些在培训学校教授翻斗式装载机操作技巧的人提供指导。机械师需要在低重力环境中进行维修的培训和实践。我们甚至还要考虑重新设计和改装装载机，使其能在新的环境中发挥作用。

当然，团队中每个成员面临的挑战都会随着所处环境不同而发生改变。如果目标是种植庄稼，那任务就是找到水资源。月球表面存在着微量的水，但是水和冰可能存在于月球两极寒冷阴暗的陨石坑中。总的来说，我们所知道的小行星提供了大量的水。在这些太空岩石中，散布着4000亿～12000亿升的水。然后说说火星。火星表层土壤是最干燥的，据估计，在更深的地层中，火星土壤的平均含水量至少为3%。在有恰当设备的时候，生存所需的水和氧气都可以从火星土壤中提取。

首先，团队的成员必须挖掘黏土矿物、冰或者两者的混合物（永久冻土）。冰在温度极低时非常坚固，永久冻土是难以挖掘的。

其次，团队成员需要将挖掘出的材料升至高温以释放出水分。如果他们开采极地冰块，那么会非常容易，但是在极地冰盖和其附近建立定居点毫无意义（至少现在看来是这样的），因此团队成员必须将精力集中在从黏土或水合盐中提取水这一艰巨任务上。

要想提取水资源，我们只需进行加热。翻斗式装载机可以装起土壤然后将其装载到卡车上，由卡车将土壤倾倒在传送带上运向水提取设施。然后通过水提取设施提取水，最后将水储存在水箱中。

如果土壤的含水量为3%，那么使用100千瓦功率的提取系统，每天可以生产700千克的水；如果利用核能发电机的废热，则可生产多达1.4万千克的水。这些水用于饮用和种植农作物绰绰有余。一开始我们可能无法种出所有的作物，但至少现在知道我们能利用这个系统种土豆。

衣服

在低端宇航服方面，有安德玛公司（Under Armour）为维珍银河公司（Virgin Galactic）的太空游客所设计的未来风格服饰。而高端宇航服能应对的环境不仅只是亚轨道飞行。作家迈克尔·多布森（Michael Dobson）就拥有这么一套罕见的服饰。

多布森成为国家航空航天博物馆（National Air and Space museum）的工作人员时，该馆刚好正在更名并搬迁到现在位于华盛顿特区购物中心的位置。在1971年，史密森学会（Smithsonian Institution）将“航天”二字添加到了这座博物馆的名字之中，迈克尔·科林斯（Michael Collins）也很快受邀管理该馆。在队友尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在月球表面行走时，柯林斯坐在“阿波罗11号”的指挥舱里绕月飞行。作为该馆策展团队的一员，多布森能够接触到进入博物馆的藏品。这些藏品包括了数十件从未进入过太空的宇航服，所以这些藏品注定是用于研究而非单纯的展览。多布森解释道：

由于执行阿波罗计划需要多年的准备，每位宇航员都收到了六套宇航服，足以应付事故、改装和磨损。六套中的一套会参与到实际任务中，而其余五套最后都堆进了佛罗里达州某处的仓库里。有一天，美国国家航空航天局的某个人觉得该清理仓库了。想找个地方扔掉几百套用过的宇航服可不容易，可以寄送去的地方可不多。毕竟有相关规定。所以自然而然地，他们决定将这些宇航服“捐赠”给国家航空航天博物馆，而我那时正好在那里工作。 ⁶

多布森向一位高级同事提道，他想拥有一套“阿波罗7号”宇航服，而且自己获得了许可。他得到的唯一回复就是“别把它卖了！”现在，宇航服挂在多布森在马里兰州的办公室里，他在那里撰写关于商业问题的书籍——也包括了太空商业。他参与编写部分章节的书籍包括了《航天系统应用工程学》（ Applied Space Systems Engineering ）和《航天系统应用项目管理》（ Applied Project Management for Space Systems ）。

我们在为编写这本书与多布森交谈时，他提到了一件关于那件宇航服的趣事：是倍儿乐公司生产的那件宇航服，就是那个以生产胸罩和紧身褡而著称的公司。倍儿乐公司专注于生产太空服的部门于1971年采用了ILC多佛（ILC Dover）这一名字并继续在整个阿波罗计划期间开展太空服装业务，挫败了国防承包商进入零重力高级服装业务领域的计划。在杂志《快公司》（ Fast Company ）纪念“阿波罗11号”登月50周年的文章中，简要描述了倍儿乐当时遇到的挑战：

登月计划中一项被低估的技术挑战就是宇航服设计。宇航服必须从内部进行充气和加压，这意味着宇航服内必须有一个人类生存所需的大气的迷你版本。从本质上讲，宇航服就是一个复杂精密的“气球”。 ⁷

鉴于宇航员需要在阳光直射下工作，宇航服必须既灵活又坚固，能够承受-170℃到115℃左右的温度变化。这些要求使设计难度非常高。宇航员需要行动自由，以便能够攀爬、扭动身体和采样，同时还要考虑到被时速36000英里 的微陨石击中的可能性。

到“阿波罗11号”登月计划的准备阶段时，倍儿乐/ILC多佛公司的员工数已经增加到了1000人左右，然后在阿波罗计划结束后就仅剩25人了。但ILC多佛公司卷土重来，他们设计了航天飞机任务使用的太空服，这些太空服有可替换的部件。然后他们开始为第一个火星车制作缓冲囊以防着陆时的冲击。他们也有其他项目，并为建造未来的太空居住设施做出了贡献。这些项目的相同点在于，他们总是使用柔韧的材料来保障人员和设备的安全 ⁸ 。在撰写本书时，该公司在招职位实际是在面向未来的太空时代，包括了团队组织员、太空服组装员，还有前工业时代的工种，如专业缝纫工。

消费者唯一想要的宇航服

谷歌工程与研究前高级副总裁艾伦·尤斯塔斯（Alan Eustace）保持着高空跳伞的世界纪录。2014年10月24日，他搭乘高空热气球，在41.419千米的高空，从平流层的上部区域跳下。尤斯塔斯不是宇航员，他是一名计算机科学家。

他身着的宇航服是第一款专为消费者设计的宇航服。其他宇航服都卖给了政府机构。当然，为尤斯塔斯制作宇航服的公司也是给阿波罗计划宇航员提供宇航服的公司。总的来说，他们知道尤斯塔斯需要怎样的宇航服。

他的宇航服的特性，以及他的身体在仅有宇航服防护时对平流层条件的反应都为人类高空飞行提供了独特的研究素材。平流层不被视为外太空，通常以距离地球表面100千米的卡门线（Kármán Line）来进行区分。平流层与其下方的大气存在着一些显著差异，这些差异也影响了尤斯塔斯宇航服的设计。

该宇航服是由ILC多佛公司制造的，该公司制造了所有阿波罗计划和用于舱外活动的宇航服。这些宇航服与美国国家航空航天局的其他宇航服不同，当发生事故导致压力降低时，它们会给自己增压。与此形成对比的是大卫克拉克公司为航天飞机宇航员提供的减压宇航服。

ILC多佛公司的宇航服不仅是增压宇航服，而且还保证了宇航员的灵活性。正如尤斯塔斯所说：“宇航服内部有漂亮的接缝痕迹，还有其他使宇航服舒适且实用的特点。你的手可以翻转，肘部和肩膀也可以运动。你也可以像阿波罗宇航员那样步行。” ⁹

虽然阿波罗计划开始后，宇航服相关的研发工作就开始进行了，但原型服并没有进入载人测试阶段。尤斯塔斯穿的宇航服是几十年前的第一批ILC多佛宇航服。从设计到制造再到压力服测试，然后到压力服人体测试，最后在平流层上层进行了实际使用。从科学的角度来看，将其用于打破世界纪录的高空跳跃是一个具有里程碑意义的事件。

这件宇航服与之前宇航服的关键区别之一就是增压水平。它的增压水平是美国制造的宇航服中最高的。大多数美国宇航服能增压到4.3PSI ，但尤斯塔斯穿的这件宇航服的增压水平能达到5.4PSI。虽然听起来差别不大，但是随着气压的增加，减压病（Decompression Sickness, DCS）的风险急剧下降。鉴于尤斯塔斯在升空过程中从未受到减压病的影响，这个应对方式显然是有效的。

但是和通常情况下一样，当产品的某一个方面被调整以满足需求时，其他的特性就会受到影响。随着压力的增加，宇航服的机动性略微产生了变化。它损失了一小点机动性，但无伤大雅。总的来说，尤斯塔斯和他的团队为使其进行平流层跳伞对宇航服所做出的调整并没有影响到宇航服的完整性。他最终得到了配备有维生系统和水下呼吸系统的宇航服，而且这套宇航服跟西服一样合身。

宇航服结构的神奇之处在于面罩和宇航服共同增压并使压力稳定。当他穿上宇航服时，气体已经被放出来了。然后氧气流入宇航服内，让他能正常吸气吐气。这个过程最开始时，一个叫作双套控制器的阀门是打开的。这个系统会吸收他通过面罩排出的二氧化碳，然后通过面罩为他提供氧气，最后将二氧化碳和水分输送到宇航服的下半身部分排出。所以，他呼出的任何东西都会流向宇航服的下半身部分然后排出。

当他想增压时，他会关闭阀门。每次他呼气时，空气并没有从宇航服中排出，而是从内部对宇航服进行增压。每次呼气都会使宇航服变大。这不是一种常见的宇航服结构，而是一种与他的任务需求相匹配的结构。

“从内部为宇航服增压是一种奇怪的感觉，就像是在里面吹气球一样，不过不需要花太长时间，只需要几分钟就能完成增压了，达到5.4PSI后就会停止增压。到那时，双套控制器会通风，所以宇航服内的气压永远不会超过5.4PSI。” ¹⁰

美国国家航空航天局的阿波罗计划和舱外活动所使用的宇航服也需要防护功能，在这一点上，这套宇航服也能满足需求。宇航服中的不同分层都有针对微陨石撞击以及辐射的保护。这些分层与宇航员在登月任务中所穿的宇航服中的分层大体相同。尤斯塔斯说：“如果你把我的宇航服放在阿姆斯特朗的宇航服旁边，那么相似之处肯定多于不同之处。” ¹¹

这些宇航服非常昂贵，不是说材料昂贵，而是因为没有成规模进行生产。考虑到研发投入，公司为了收回投资而收取高昂的费用是合理的。尤斯塔斯指出，你不仅是购买了宇航服，你还相当于是聘请了设计师和技术人员参与到设计和测试中。因此，除了衣服以外，你还购买到了人才和他们的专业技能。

ILC多佛团队需要监控的一个关键系统就是加热与冷却设备。尤斯塔斯需要加热功能，因为他去的地方气温太低。

本来他估计温度会在-120℉ ，或者稍微高一点。但结果出乎预料。美国国家大气研究中心和美国大学大气研究中心解释了这一现象：

“臭氧是一种不寻常的气体，在平流层中相对丰富，它能吸收太阳的紫外线辐射从而使这一层的大气温度更高。当一个人向上穿过平流层时温度会升高。这和我们所处的对流层完全相反，温度不会随着高度的增加而下降。” ¹²

用尤斯塔斯自己的话来说：“我们设计的东西，能让我在地面上模拟极端环境时也能让我保持温暖。但实际上，平流层是一个非常适合人类居住的地方。这确实出乎了我们的意料。实际上我在70000英尺 的高度处关闭了加热器，因为我不需要。而且在平流层真的非常舒服。” ¹³

最后一点，这套宇航服非常耐用。在经过十几次迫降后，尤斯塔夫和他的团队记录到这套宇航服的强度增强了而不是减弱了。密封连接的设计和改进增强了其耐用性。

杜邦公司是倍儿乐/ILC多佛公司的技术合作伙伴，但并非实际的合作伙伴。阿波罗宇航服21层中的20层的技术都是由该公司开发的。 ¹⁴ 在史密森学会的“太空中的衣物”展会中，该公司展出了许多令人交口称赞的宇航服相关产品，因为这些产品在地球上也有许多用途，包括：

●杜邦 ^™ 凯夫拉尔（Kevlar ^® ）纤维，为宇航服同时提供强度和灵活性，能用于制造防弹衣以保护执法人员、急救人员和士兵。

●杜邦 ^™ 诺梅克斯（Nomex ^® ）纤维，用作宇航服中的强力保护层，也能用于制作保护消防员、士兵和赛车手的服装。

●杜邦 ^™ 卡普顿（Kapton ^® ）聚酰亚胺薄膜，因其高耐用性和热稳定性而被用于制作阿波罗宇航服中的两层，是电子行业中高可靠性的关键材料。

●杜邦 ^™ 科慕（Krytox ^® ）高性能润滑剂，最初由美国国家航空航天局用于阿波罗太空飞行、月球车牵引电机以及宇航服润滑剂。可在低温和高温极端条件下正常使用，以保证计算机芯片制造中的一切工序、汽车以及最新的民用和军用飞机制造能够顺利进行。

●密拉（Mylar ^® ）聚酯薄膜因其韧性和可塑性，被用于制成阿波罗宇航服中的数层，也广泛用于电气、电子、工业、成像和制图以及包装等领域。用箔覆盖的聚酯薄膜制成的气球在天空飘浮的时间远长于乳胶气球。

多年以来，这些适合太空环境的材料的新一代版本已经推出，这些材料很有可能用于制作未来的宇航服，以便宇航员进行舱外活动以及在空间站和居住设施之间往返。宇航员在国际空间站上穿的衣服，表明了未来太空自耕农会穿什么样的衣服。

国际空间站上的美国和俄罗斯宇航员可以穿自己国家制造的工作服——连裤工作服和内衣使用的是地球上常用的纤维。国际空间站内的气压与地球上的大气压相同，也保持着舒适的温度和湿度。因此，除了在发射和再入以及太空漫步阶段外，正常的衣服都可以使用。最大的不同在于，国际空间站上的驻扎人员没有太多的能力清洗衣物。他们会非常注重保持内衣的卫生，脏衣服会放进某种容器里然后在重新进入地球大气层时将其焚毁。

当我们在天体上有定居点时，脏衣服就不成问题了。美国国家航空航天局也已经在开发一种适用于低重力环境的洗衣机。 ¹⁵

住所

太空飞船是一种新型的太空载具。它可以重复使用而且功能多样：发射和回收卫星、携带太空实验室和居住设施、帮助建造空间站以及运送人员。考虑到航天飞机的载荷限制以及私营企业公司发射火箭的载荷限制，富有创造性思维的思想家将考虑如何将人类的居住设施从地球转移到天体之上。

在2016年，美国国家航空航天局选择了6家美国公司来开发深空居住设施的原型。投标的设计必须与美国国家航空航天局提出的月球门户计划（Lunar Gateway）相兼容，即一个用作通信枢纽和短期居住舱的空间站（注意：我们认为拟定的门户计划是有缺陷的，并在本书第四部分解释了原因）。目前的计划是尽快推出门户的基本骨架，以便在2024年将其用作临时站点，方便让宇航员从航天器转移到登陆器上，以便登陆月球。

实现建成居住设施的想法殊途同归，可行的模型最终可能都能为人类解决短期和长期的住所需求。在两种设想中的太阳能居住设施的模型中，都涉及了充气技术，另外两种则计划重新利用现有设备，还有一种居住设施模型需要进行一定的组装才能到达太空。6种居住设施设计的详细信息都将在第7章中介绍，届时还会介绍月球表面和火星住所的替代方案。

美国国家航空航天局于2019年7月19日结束了招标。最终的结果是，诺思罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）公司是唯一“能够在2024年这一截止日期前，完成模块设计并拥有足够的生产资源按时交工”的承包商。 ¹⁶ 中标的构想是一个小到商业运载火箭都能发射的居住设施。建造将在名为“天鹅座”（Cygnus）的货运飞船上进行，该飞船已经在生产过程中了[2014年10月，私人太空公司轨道科学（Orbital Sciences）的货船“天鹅座”CRS Orb-3在第4次尝试抵达国际空间站时在发射平台上爆炸。但是，自动化航天器现在是由新公司——诺思罗普·格鲁曼公司制造的]。

未来前往月球的宇航员、研究人员、游客甚至可能还有作家，都会在短期内居住在这样的设施中。现在的计划是通过在基础的门户空间站添加模块以延长其使用时间。但即使在第一阶段，人员停留的时间不长，所有的设计还是想让居住者能尽可能地感到舒适。我们在为太空自耕农设计永久性设施时会考虑到什么？看看提供给美国国家航空航天局执行门户计划的模型就知道了。

其中一个必需的功能就是辐射保护，辐射能摧毁任何没有防护的生物。有这么两种利用当地材料的解决办法：

●居住设施周围的水可以保护居住者免受辐射伤害。水会捕获高能粒子，因此在居住设施外围上大约1英尺的水将能为人类、植物和动物提供所需的保护。

●可以用月球土壤覆盖居住设施以抵御辐射。只需要2米厚的月球土壤就可以让居住设施免受太阳和宇宙辐射、太阳耀斑和极端温度的影响。

这种表层土壤也可以搬到先进空间站上用作屏蔽物。我们也可以将月球岩石粉碎成骨料再与水泥浆混合形成月球混凝土。用钢或玻璃纤维对其进行加固，增加抗弯强度并限制微裂纹的形成。月球混凝土具有很强的抗压性，内表面敷上密封剂就能用于建造月球建筑。

用月球混凝土制成的月球基地有以下优点：

1.铝合金与混凝土的能量比为90:1，节省了大量能源成本；

2.混凝土可以浇筑成任何整体形状；

3.强度高；

4.耐热性一流；

5.卓越的辐射屏蔽功能；

6.混凝土有耐磨性，能应对微陨石（的撞击）。

混凝土可以成为月球基地扩张的主要建材，可以在月球表面进行生产。唯一需要从别处运输过来的原料是氢气，用于生产水（当水蒸气被阳光分解时，水蒸气中存在的氢元素都会流失到外太空当中）。

研究

国际空间站是展开数以千计的研究试验（包括了生物学和生物技术、地球和空间科学、人类研究、物理科学和技术等领域）的场所。所有这些研究都旨在帮助我们了解天体内部和周围的生命，或者让我们对地球上面临的问题（例如疾病）产生不同的看法。与某些科学家所说的相反，国际空间站可以继续发光发热，尤其是对公司的研究和开发计划相当有益。它甚至能成为一个工业园区，许多不同的公司使用它来测试有朝一日可能上市的新产品。他们也可能将国际空间站用作小规模生产这些产品的工厂。迄今为止，大约已有1000亿美元被用于国际空间站的建造和维护，这点理由足以激励我们继续使用它。

只要粗略地了解一下只能在或最适合在零重力或微重力环境中进行的研究，就不难发现，在医学、农业、交通等领域中，这种研究都蕴含着巨大的机遇。美国国家航空航天局专门制作了一本手册，发给对微重力或零重力研究感兴趣的商界人士和学术研究人员，并向他们概述了这种环境的优势。该手册在“微重力对材料系统的好处”一节中罗列出了以下内容： ¹⁷

●无缺陷；

●均相性；

●受控的对称增长；

●避免成核或单一成核；

●更高的分辨率；

●无溶质聚集；

●无沉淀；

●无对流；

●无容器操作；

●自有悬浮；

●完美球形；

●不会潮湿。

撰写该手册的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）也同样为生命科学研究提供了有利的环境。

《奇点中心》（ Singularity Hub ）发表了一篇关于在国际空间站上的“不同寻常的项目”的文章，该文章准确地列举出了最适合在地外环境中进行的各种科学研究。 ¹⁸ 请关注与“不同寻常的项目”相关的有吸引力的工作，在某些情况下是有些奇怪的：

●零重力环境下的帕金森病研究。 患上了帕金森病的演员迈克尔·J.福克斯（Michael J.Fox）建立了基金会，旨在促进帕金森病的研究，并且与国际空间站合作开展了“针对一种与帕金森病有关的基因突变所产生的蛋白质的研究。” ¹⁹ 致力于针对该可疑蛋白质进行药物治疗的化学家对其晶体结构缺乏深入了解，但零重力环境能使晶体生长得更大、更均匀，使之更易于研究。

●太空组织切片。 组织切片包含了人工培养基上生长的人类细胞。因为细胞会模拟器官和组织的结构和功能，因此它们可以更好地让研究人员了解零重力或低重力环境对人类健康和疾病的影响。组织切片项目能模拟动物体外器官的复杂生理机制，能够用于药物筛选和其他用途，最终实现提升地球上人类健康水平的目的。

●酿造啤酒。 好吧，听起来有点不正经。以百威啤酒系列闻名的安海斯-布希公司（Anheuser-Busch）为国际空间站的实验提供了酿造百威啤酒所使用的大麦种子，以观察谷物对微重力环境的反应。特怀曼·克莱门茨（Twyman Clements）于2014年创立的太空探戈（Space Tango）公司支持了本项实验。本书第6章中对太空探戈公司的项目进行了简单的介绍，该项目旨在获取原材料并在微重力环境下进行实验，为地球带来新产品。太空探戈公司的工作展现了太空研发给多个学科领域所带来的触手可及的广泛商业机会。 ²⁰

●癌症研究。 路易斯·奇亚（Luis Zea）博士任职于生物服务太空科技公司（BioServe Space Technologies）进行癌症研究，该机构隶属于科罗纳多大学。奇亚博士一直在为空间站设计与癌症研究相关的实验。地球上的医学实验一般由医学博士研究人员设计，但奇亚并不是医学博士。他拥有航空航天工程科学-生物航天学博士学位。他解释了为什么在微重力环境中进行癌症研究能够攻克在地球上进行相同实验所面临的难关：

我们可以培养3D组织，这更类似于人类体内的生长方式。癌症肿瘤在人体内以不同的方式生长。它是一个3D结构，有时几乎完全是球形的。人体内的肿瘤就是这样生长的。

当你尝试在体外的试管或是培养皿中操作时，肿瘤更像是分层的。从外形上来看，一种是三维的“炸薯球”，而另一种是薄薄的“煎饼”。虽然组成成分相同，但实际上形状的改变会产生多方面的影响。所以说，如果你没法培育出正常形状的肿瘤，那你也没法准确地进行实验。

微重力能让研究人员更好地保持完整的肿瘤形状，也更有可能找出引起癌症的细胞层级的变化。我们所有人或身边的人到了某个时候都会受到癌症的影响，所以在地外进行这种研究是非常有价值的。 ²¹

●实验型陨石球粒形成。 要进行这方面的讨论，需要先给大家介绍一个可能从未听说过的职业：宇宙化学家，他们的职责是探索陨石球粒和其他与宇宙化学成分及其变化相关的事物。随着社会对宇宙化学家需求的增加，这些博士的薪水也有望增加。截至2019年，根据简单受聘（SimplyHired）网站上雇主提供的信息来看，该岗位博士后职位的平均年薪仅为73232美元。球粒是嵌在陨石中的小球体，一些科学家认为它们是行星和卫星的基石。球粒形成实验模拟了形成球粒可能所需的必要条件，可以帮助我们了解地球是如何形成的。这些知识将有助于我们寻找其他宜居星球。

当然，上述部分实验已经在地球上开始进行了。然而有些实验因为有潜在危险所以无法在地球上进行研究和开发。其中一个例子就是与热核火箭系统相关的研发，旨在发明出新的运输技术，能显著缩短人类从地球前往火星的时间。这样宇航员就不用花费九个月到几年的时间（或更长时间）依赖先进的生命维持系统在太空中航行，而这套维生系统需要大量的食物、水和燃料。并且更长的航行时间意味着有更大的风险，比如碰上宇宙辐射爆发等。

核热火箭使用核反应堆将推进剂加热到高温，然后推进剂由超音速喷嘴喷出，从而产生推力，这与传统火箭发动机的工作方式类似。但热核火箭可以用低分子量的推进剂，例如高温氢气。

核热系统可以用于第二代火箭。这个构想对于从地球到火星阶段的人类星际运输来说也十分有意义。我们会在第5章中更详细地探讨这点。

生产

与组成人类身体的材料不同，某些材料非常适合在太空中发挥作用。此外，太空环境的条件可以允许生产人员改进制造工艺，减少缺陷并提高性能，还能使用在零重力或低重力环境中具有不同特性的材料来制造产品。未来一段时间里，地外制造设施的出口产品将变得更普遍，因此大家可以将出口管理方面的MBA（工商管理学硕士学位）视为太空相关职业的敲门砖。

氟化物玻璃光纤（ZBLAN）可能会是出口到地球的首批产品之一，其名字来源于其化学方程式ZrF 4-BaF 2-LaF 3-AlF 3-NaF。现代数字世界依赖于比人类头发还细的线路，这些线路以每秒数十亿个脉冲的速度远距离传输能量光脉冲；换言之，我们越来越依赖光纤。现在的光纤是由石英玻璃制成，但这种光纤会产生信号损耗，所以需要搭配昂贵的中继器。相比之下，ZBLAN的信号损耗可能是石英光纤的十分之一到一百分之一。不幸的是，在地球上制造的ZBLAN并没能展现出这份潜力：

在地球上生产ZBLAN时，对流和其他重力导致的现象会使纤维内各种化学成分分布不均匀，使成品产生缺陷。这些在凝固过程中产生的缺陷最终导致微晶的形成，使该纤维无法投入许多商业应用中。 ²²

科学家通过使用国际空间站国家实验室来生产ZBLAN，避免重力带来的不利影响。

像太空纤维光学公司（Fiber Optics Manufacturing in Space）、太空制造公司（Made in Space）和物理光学公司（Physical Optics Corporation）等商业公司抓住机会希望在近地轨道生产ZBLAN，并且他们也正在国际空间站上这样做。据美国国家航空航天局高级经济顾问亚历克斯·麦克唐纳（Alex MacDonald）说，考虑到地球人对高速互联网和通信的依赖程度，虽然将原材料送入太空的硬成本和软成本目前已达到“每千克数千美元”，但带来的收入仍然十分可观。 ²³

月球的低重力可以使月球产品比地球产品更好、更精细。除了ZBLAN之外，还有许多其他产品可以在低重力环境下以更低缺陷率和更高效率进行生产，包括更精细的玻璃、更纯净的化学品和药物、计算机晶体和具有各种用途的合金。

太空制造和回收也会涉及留在地球外的产品和设备。太空制造公司成立于2010年，该公司的愿景为“让太空成就企业”，并与美国国家航空航天局合作，努力在将自己的口号变为现实。他们开发了在微重力环境下的增材制造技术。他们的第一个方向就涉及3D打印机，能使宇航员在飞船上制造零件，这远比从地球运送零件更便宜，因此可以作为替代方案。太空制造公司现在正在开发一种名为建筑宇航员（Archinaut）的机器人系统，可以自主组装硬件，从而使在太空中建造卫星和仪器成为可能。在最初的3D打印机项目成功后，美国国家航空航天局也与另一家增材制造风投企业系绳无限公司（Tethers Unlimited）展开了合作，将“重塑者号”（Refabricator）搬上了国际空间站。它是3D打印和回收功能二合一的机器，可以帮助宇航员将空间站上的塑料变为3D打印机的细丝，这样宇航员就拥有了进行维修的材料。

赢利

有一种办法可以承担采矿、运输、建造定居点和其他近地活动的费用，而且不需要公民背负沉重的税收负担。如果将太空探索和开发交由政府机构来执行，则一定让广大民众掏腰包。实际上，太空项目可以自负盈亏。利用月球和近地小行星的自然资源，我们就能生产出太空和地球所需的产品，且不必担忧销路。这个过程不仅降低了月球、火星项目的成本，而且还可能产生足够的利润来反哺地球经济。

要想赢利，至少需要经过两个阶段。第一个阶段涉及的是愿意承担高风险并希望得到风险背后巨大投资回报的公司。第二个阶段，将涌现第一批开拓者们的竞争者，这些竞争公司涉及的业务包括天体开采和出口到地球的产品的制造。他们面临的财务风险较小，但利润也会减少，他们的成果将有助于压低出口到地球的贵金属和产品的价格。这实际上非常棒！不仅愿意承担风险的公司会在第二阶段赢利，地球上的人们也会因铂族金属资源成本降低而受益，铂族金属是无污染汽车和清洁能源技术的关键资源。

就拿小行星开采来举例，在开采早期，虽然将小行星捕获到近地轨道（或是拉格朗日点之一）并建造附属的基础设施需要成本，但是这个成本远低于小行星矿业所带来的巨额财富。X奖金竞赛（X Prize）创始人彼得·迪亚曼迪斯（Peter Diamandis）和全球性投行高盛集团（Goldman Sachs）都宣称“第一个亿万富翁将在太空中诞生”。 ²⁴

如果以21世纪初期的美元计算，产生这种天文数字利润背后的成本和收入又是多少呢？开始的成本会以10亿计，但我们可以像上面的“专家”们所预测的那样，放眼于数万亿甚至更多的利润。

由加州理工学院凯克空间研究所（Keck Institute for Space Studies）与美国国家航空航天局联合开展的一项可行性研究得出的结论是，小行星开采是可以实现的。该研究阐明了捕获小行星和开发其资源的过程：

凯克空间研究所的核心研究方向是起草小行星捕获和回收任务方案以及设计对应技术，旨在于2025年将重约110万磅的小行星移动到高月球轨道。该任务的成本预计为26亿美元。 ²⁵

接下来，让我们为潜在利润狂欢吧。有一个名为“史丹索特统计研究”（Statistica Research）的团队，该团队由数百名研究专家组成，专门负责收集、处理和共享数据。该团队提出，一颗名为黛维达（Davida）的岩质小行星（对，小行星都有名字）估计价值为2.699万万亿。 ²⁶ 这块岩石小行星有如此高价值的原因是富含镍、铁、钴、水、氮、氢和氨。但是被评估出如此高价值的小行星可不止它一个。该小行星带中还有其他14颗价值在2500万亿到7000万亿的小行星。

在本章结尾，我们希望你能认识到太空工业的收益和回报突破天际，比现在所有大胆的企业家所赚取的美元或欧元还要多。凯克空间研究所研究得出了结论，小行星开采的潜在利益是不可估量的。根据这份研究，还会得出以下的部分结果：

●这种风险投资标志着人类与机器人的全新协作关系。机器人航天器会收回大量宝贵的资源供宇航员们开发，使人类能够探索太阳系的更远处。

●从捕获到的富含挥发物的近地小行星中提取的水或其他材料，足以为目前人类能够负担得起的航天器提供屏蔽宇宙射线所需的原料。提取的水还能用作推进剂以运输建立好屏障的居住设施。

●这项工作可以激发整个原位资源利用行业的发展。当各机构齐心协力决定从小行星上开采和处理原材料时，月球轨道上可开发的众多重量为数百吨的小行星也可以推进国际太空合作的扩大。 ²⁷

因此，除了开展小行星开采的企业能获得经济利益外，小行星开采也对科学探索方面的跨国合作提供了机遇和激励。乐观主义者甚至可能会说，这能使地球上的人类互动变得更加和谐。

资料来源：1991年，美国政府印刷办公室（US Government Printing Office），《处在门槛的美国：美国太空探索计划综合小组的报告》（ America at the Threshold：Report of the Synthesis Group on America’s Space Exploration Initiative ）。

持怀疑态度的朋友们会问：“地球上还有这么多贫困人口，疾病也没被消灭，我们为什么还要投入金钱和技术来探索太空？”你应该回答，答案就在问题中。我们进入太空正是因为地球上有贫穷和疾病。我们进入太空是因为如果我们不探索太空，那地球上资源的不平衡可能会导致地球毁灭。我们将进入太空以满足医学上的迫切需求——治愈不治之症，找到修复受损身体的新方法。

太空探索实际上关系到地球上人类的生活质量，至少在可预见的未来是如此。 PF66GlajRc8+ud0yLfT8hsQ5FDy+HYPph6VCjG9Lm37XV1sxk54dBtLQ10SCePvu