本文作者：小红猪小分队

前情提要：[小红猪]《赶往火星》——在火星上建基地（上）

[小红猪]《赶往火星——《在火星上建基地》（下）

当这项提议公开提出时，大家对此众说纷纭，引起了众多担心和疑虑。抱乐观态度的一方试图鼓动其他人开始行动；胆小的一方则反对提议，坚称这样做既不切实际，也不可能实现。他们争辩说这将招致诸多无法设想的损失和危险。

……

赞成的一方回应说，所有伟大和光荣的行动都伴随着巨大的困难，必须以负责任的勇气来面对，并战胜困难。

——威廉•布拉德福德总督，《普利茅斯开拓史》，1621^[1]

前面的章节中，我们从技术角度探讨了人类如何开始在火星上大规模定居。我们已经看到，采用20世纪的技术，第一批人类探索者能在约10年内登上火星，费用也很好地控制在美国政府能自由支付的范围内。我们也展望了，再向前一小步，初次登陆后几十年内我们就能在火星上建立一个基地，它能供几十甚至几百人生活——然后，这些人就将开始发展利用当地资源的技术，有朝一日，这些技术会将火星变成数百万人的家园。

然后，我们就进入了问题的关键：定居期。真的能在火星上殖民吗？从技术角度来看，这一点毫无疑问，我们最终肯定能在火星上做想做的几乎任何事情，包括下一章中我们将看到的火星地球化改造——让那颗行星从寒冷荒芜的世界重新变成温暖湿润的星球。可我们付得起多少钱？探索期和基地建设期可以而且很可能必须由政府出资完成，但是进入定居期，就得先算算经济账了。一个能容纳哪怕几百人的基地，政府也许还能掏出钱来，可是要发展火星社会，费用可能会上涨数十万倍，政府显然不可能有这么多钱。一个真正可行的火星文明要么能完全自给自足（短时间内恐怕不大可能），要么能出口某些商品，换回需要的物品。火星的未来取决于这个问题，不光是说火星上的人类文明，也包括这颗行星本身的自然环境。如果真能在火星上建立文明，它的人口和用于改造星球的能量都将持续增长。火星上曾有温暖的气候，如果作出足够的努力，它能变回原来的样子。一个地球化的世界能给火星移民带来的好处如此明显，所以简而言之，如果在火星上成功殖民，那它就会成功地球化。所以最终，我们能否使火星地球化，从根本上取决于火星殖民的努力是否具有经济上的可行性。

所以，反对人类移民火星、地球化火星的中心论调出现了：这样的规划在技术上也许可行，但是我们不可能付得起钱。表面上看，他们给出的理由似乎很有说服力：火星很遥远，难以到达，环境恶劣，没有经济价值明显的资源。这样的理由看似严密，但必须指出的是，过去有人试图证明欧洲人移居北美和澳大利亚绝不可行的时候，也这么说过。的确，从细节上说，21世纪火星殖民面对的经济、技术问题和新世界殖民时克服的困难大不相同。不过，我的观点是：从根本上来说，这些反对者和哥伦布之后400年间的许多欧洲政府一样，他们遵循同样的伪逻辑，同样对新事物不了解，因此同样错看了拓殖定居新世界的价值（因为他们反对建立商栈、种植园和进行其他采掘活动），那些理由都站不住脚。

西班牙人雄霸全球的年代，他们忽略了北美洲；对他们来说，那只不过是一大片毫无价值的荒漠。1781年，康沃利斯^[2]在约克镇被围困，最终投降。与此同时，英国人却跑去加勒比海横插一脚，从法国人手中抢了几个高收入的糖料种植岛。1803年，拿破仑•波拿巴为200万美元^[3]就卖掉了如今美国三分之一的领土。1867年，俄国沙皇也以差不多的低价甩卖了阿拉斯加。第一个殖民者到达澳大利亚之前200年欧洲人就知道了它的存在，可是直到1830年，都没有任何一股欧洲势力想过要宣称自己对这片大陆的主权。今天，这些短视的政治策略名扬四海。不过，它们的一贯性显示出，政策制定者们在发现真正的财富与权势之源上一直有盲点。我相信，两百年后，今天各个政府对地外天体价值的漠视，尤其是对火星的漠视，将被看作同样的愚行。

设想20年后什么产业具有经济可行性都几乎不可能，更别说50年、100年后了。尽管如此，本章中我仍会尝试让你看到怎么让火星殖民在经济上可行以及为什么可行，为什么成功进行火星殖民最终将成为人类在太阳系内扩张的基石。我会不时回顾历史上的相似事件，不过从本质上说，我的论点大部分并不源于历史，而是基于火星自身的坚实基础，它独特的属性、资源、技术需求，以及它和我们的太阳系内其他重要天体之间的关系。

火星的独特性

提出一个新项目时，比如在一份商业计划书中，通常需要汇集列明你的产品或服务的优势。你有什么别人没有的优势？那好吧，火星有什么？

在我们太阳系内的地外天体中，火星独一无二，只有它拥有全部原材料，不仅可供生命存活，还能支持一个人类文明的新分支。如果我们拿火星和月球对比，这样的独特性一目了然，而月球是我们最常提起的地外殖民备选地。

和月球相比，火星富含碳、氮、氢和氧，而且它们存在的形式从生物学上说都很容易利用，比如二氧化碳气体、氮气、水冰和永久冻土。碳和氮在月球上的含量只有百万分之几，水冰倒是有一些，不过只存在于永久暗面的极地环形山里。那些地方实在太冷（－230摄氏度），里面的东西可望而不可即。氧倒是很多，不过都存在于非常稳定的氧化物中，例如二氧化硅（SiO₂）、氧化铁（Fe₂O₃）、氧化镁（MgO）和氧化铝（Al₂O₃），还原它们的工序耗能极大。根据现有数据，如果火星表面很平坦，而所有冰和永久冻土融化成液态水的话，那整颗行星都会被超过100米深的海洋覆盖。这和月球形成了鲜明的对比。月球非常干，要是在那儿发现水泥，月球殖民者也会从里面提炼水的。因此，就算能在月球上的温室中种植植物（正如我们已经看到的，这不太可能），那它们的绝大部分生物性材料也得靠进口。

工业社会所需的金属种类，月球也缺少一半左右（例如铜、镍、锌）；月球上还缺乏其他许多有用的元素，例如硫、氟、溴、磷和氯。而火星富含所有所需的元素。此外，火星和地球一样出现过水文变化、火山作用，这可能会使多种元素富集起来，在当地形成高品质的矿脉。事实上，曾有人将火星与非洲的地质历史作过比较，比较结果表明，火星上的矿物财富也许十分让人乐观。相比之下，月球历史上基本没有水文、火山活动，因此，月球基本由一堆垃圾石头组成，而“矿石”里不会有任何我们感兴趣的浓聚物，和前者也没什么区别。

在月球或火星上，都能用太阳能电池板发电。月球的优势是天空比火星更清澈，离太阳也更近一些，劣势在于它的明暗周期长达28天，因此能量储存需求更大，优劣大体平衡。不过如果你想要制造太阳能电池板，从而创造出一个自扩张的能量基地，火星就有了压倒性的优势。因为生产光电池板和其他电子元件需要纯硅，只有火星上才有生产纯硅所需的大量碳和氢。此外，火星还有可能发展风电，而月球显然不可能。不过，太阳能发电和风电的潜能都不算大——大约几十千瓦，最多几百千瓦。要创造一个生机勃勃的文明，你需要更强大的能量基地，不管是短期内还是中期，火星上都能建成这样的基地——火星上有地热资源，我们可以对此加以利用，在当地修建大量10兆瓦（1万千瓦）级的发电厂。而从长期来看，火星上有大量氘可用作核聚变反应堆燃料。对此进行开发利用，火星经济就将享受到丰富的电力。火星上的氘含量是地球上的5倍，是月球上的数万倍。

不过，正如我们在第7章中讨论过的，月球最大的问题——也是其他所有没有大气层的类行星天体以及有人提出过的人造自由空间殖民地的问题——就是阳光的能量不足以支持植物生长。地球上1英亩^[4]植物需要4兆瓦太阳能，1平方千米植物需要1000兆瓦。全世界发出来的所有电加到一起，也不够照亮农业巨人罗德岛州的农场。用电照明供植物生长从经济上讲毫无指望。可是在月球或太空中其他任何没有大气层的天体上，你都没法利用自然的阳光，除非在温室顶上盖一层厚度足以屏蔽太阳耀斑的墙，不过这样又会使开垦农田的成本大幅上涨。就算真这么干了，在月球上你也不会得到任何益处，因为植物没法在长达28天的明暗周期中生长。

在火星上，大气层的厚度足以屏蔽太阳耀斑，保护植物在地面上生长。因此，我们可以用不加压的防紫外线硬塑料防护圆顶来保护薄壁充气式塑料温室，在地面上快速开垦出农田。就算不管太阳耀斑和昼夜循环长达1个月的问题，这种简单的温室在月球上也没法用，因为它会造成不可忍受的高温。相比之下，在火星上，要在温室内部创造出温暖的气候环境，正好需要圆顶引发的强烈温室效应。这种直径高达50米的圆顶很轻，初期可以从地球运来；以后人们可以在火星上用当地材料制造圆顶。火星上有制造塑料所需的全部资源，所以可以迅速生产、部署这种直径50～100米的圆顶，形成网络，从而在地面上开拓出大片区域，既可供人类不穿宇航服居住，又可以发展农业。这只是开始，因为，正如我们将在第9章中看到的，人类可以通过周密的计划人工诱使全球升温，迫使风化层中的成分气化释放出来，最终也许能使火星大气层大幅增厚。这一步完成后，住宅圆顶就不必承受内外压差，所以可以做成任意尺寸。事实上，这一步完成后，就有可能在圆顶外种植经过培育的特殊庄稼。

要强调的是，火星和任何已知的地外天体不同，火星殖民者可以在地面上生活而不是在隧道里，而且他们可以在白天的阳光中近乎自由地活动、种植庄稼。在火星上，人类可以生存、繁衍到很大规模，用当地材料生产各种产品满足自己的需求。因此，火星上可以发展出真正的文明，而不仅仅是建立一个采矿站或科学站。对行星际贸易来说，意义深远的是：在太阳系内，人类可以种植庄稼供出口的地方只有火星和地球。

行星际贸易

火星是太阳系内殖民的最佳目标，因为它自给自足的潜力远高于其他星球。不过，就算对自动制造技术的发展持乐观态度，火星也没有足够的劳动力来自给自足，除非它的人口达到数百万。所以，从地球进口专业化的产品，对火星来说几百年内都有必要性，永远都有吸引力。这些货物的重量会相当有限，因为哪怕是非常高科技的货物也只有一小部分（以重量计）真正算得上复杂。尽管如此，这些更小的精密产品也得花钱，而且从地球发射和行星际运输的高昂费用也会使它们的价格大幅上涨。那么，火星能向地球出口什么作为回报呢？shi

正是这个问题导致许多人认为火星殖民很难办，或者至少不如月球有希望。比如说，月球上有氦-3，这是一种地球上没有发现过的同位素，可以作为第二代热核聚变反应堆燃料，具有很高的潜在价值，对此已经有了很多讨论和展望。就目前所知的情况，火星上没有氦-3；不过另一方面，火星复杂的地质历史可能会使矿物质富集，形成容易开采的、比地球上现有的矿脉品质高得多的贵金属矿脉——因为在过去5000年中，地球上的矿石已经被人类搜罗得差不多了。1990年，在与大卫•贝克合著的一篇论文中我曾阐述过，如果火星上有与银等值或价值更高的富集金属矿（如银、锗、铪、镧、铈、铼、钐、镓、钆、金、钯、铱、铷、铂、铑、铕，等等），就有可能将其运回地球获取大量利润。44基于火星地面的可重复使用的单级入轨飞行器，如NIMF（在第7章中讨论过），能将货物拖到火星轨道上；然后利用在火星上生产的便宜的一次性化学推进级，或是可重复使用的太阳帆、磁力帆行星际飞船，就能把它们运回地球。（在本章末的拓展阅读中，我们会对这些先进的推进系统进行讨论。）然而，这些贵金属矿是否存在仍有待证实。

不过，我们知道有一种商业资源在火星上随处可得，且数量惊人——氘。氘是氢的重同位素，在地球上，每100万个氢原子中会出现166个氘原子；不过在火星上，这个数字是833个。氘不仅是第一、二代核聚变反应堆的关键燃料，也是今天的核能工业必不可少的原料。如果你有足够的氘，就能用“重水”代替普通“轻水”来慢化核裂变反应堆，这种用重水慢化的反应堆可以使用天然铀，无需浓聚。今天，加拿大制造的名为“CANDU”的核能反应堆就采用这一原理。不过，问题在于，你必须电解30吨普通“轻水”才能生成足够的氢，产出1千克氘；这个工序贵得离谱，除非你有很多便宜的水电可以烧。（这就是为什么第二次世界大战中德国的原子弹项目不得不在挪威维莫尔克的水电大坝附近生产重水。1943年，挪威反抗军和美国B-17机群对该地区进行了一系列突袭，德国核项目因此毁于一旦。）就算有了便宜的能源，氘还是很贵；现在它在地球上的市场价大约是每千克1万美元，是银（每盎司^[5]27美元）的12倍左右，金（每盎司1200美元）的25%。这还是今天这个前核聚变时代的价钱。一旦核聚变反应进入大规模应用，氘的价格就会上涨。正如我们在前几章中讨论过的，火星基地的大部分能源将用于电解水来驱动各种维生、化学合成工序。如果在电解反应生成氢之后、将这些氢循环送回化学反应器之前，加入氘/氢分离的步骤，那么，每电解6吨火星上的水就能获得约1千克的副产品氘。每（地球）年火星上的每个人需要电解约10吨水，如果加工各种材料要电解的水是这个量的2倍，那么一个20万人的火星殖民地每年共需电解600万吨水。这样每年可以产出1000吨氘，足够发11太瓦（TW）电，或者说，和现在全人类消耗的电差不多。以现在氘的价格计算，潜在的年度出口收入为100亿美元——这个数和地球上人口远多于20万的国家的出口收入相当。（比如说，2009年，新西兰出口总额为260亿美元，可它的人口有430万。）以现在每度7美分的电力均价计，每年地球上用这些氘发出的电总值约7万亿美元。火星殖民者也许还能出口创意。正如殖民期和19世纪美国普遍的劳动力短缺造就了“别出心裁的美国人”（Yankee ingenuity），极度的劳动力短缺与技术文化相结合，别出心裁的火星人会掀起一波又一波发明的浪潮，可能涉及发电、自动化及机器人技术、生物技术和其他领域。这些发明将在地球上获准使用，为火星带来财源；与此同时，它们还将强有力地颠覆、推进地球生活标准，正如19世纪美国人的发明也曾彻底改变了欧洲并最终影响了整个世界。

前沿文化必然创造的发明将为火星带来财富，不过发明和对地球的直接出口并不是火星人唯一的财源。他们还可以通过为小行星带的采矿活动提供支持来赚钱，那片地区位于火星和木星的轨道之间，有许多小型富矿天体。

为了理解这一点，有必要考量一下地球、月球、火星和主小行星带之间的能量关系。小行星带在这里进入了视野，是因为它以富含高品质金属矿石著称，还有低重力环境，这意味着把矿石运回地球比较容易。36例如，亚利桑那大学的约翰•刘易斯（JohnLewis）曾设想过一颗直径仅1千米的普通小行星的情况。根据他的估计，这样的小行星重20亿吨，其中有2亿吨铁、3000万吨高品质的镍、150万吨战略金属钴，还有7500吨铂系金属混合物。以现在的价格计算，这些铂系金属的平均价值为每千克2万美元左右。单单铂的价值就高达1500亿美元。以上推测几乎毫无疑问，有大量小行星陨石样品为证。陨铁通常含有6%～30%的镍，0.5%～1%的钴，铂系金属浓聚物的含量至少是地球上最好矿石的10倍。此外，小行星还含有大量碳和氧，第7章中我们讨论过在火星上用一氧化碳提炼金属的化学方法，对这些方法稍加改动，我们就能将以上所有材料从小行星上分别提炼出来。

今天，已知的小行星约有5000颗，其中约98%都分布在火星和木星之间的主带上，它们离太阳的平均距离约为2.7天文单位，或称AU。（地球和太阳的距离是1.0AU。）这条主带包括一颗直径高达914千米的小行星、数百颗直径超过100千米的小行星，和木星轨道内所有直径超过10千米的小行星。剩下的2%都很小，其中极少数微型天体离太阳比地球还近，少数位于木星轨道外，其余的都位于地球和火星之间。不过，2%这个数值大大高估了这类近地小行星与主带小行星的数量比，因为它们离地球和太阳相对较近，所以容易看见得多。合理估计的话，主带小行星数量至少有近地小行星的1000倍，而且90%的近地小行星轨道离火星比离地球更近。

从刘易斯的例子中，我们清楚地认识到，这些小行星潜在的经济价值都很高。最近，关于近地小行星的重要性有过很多讨论（尤其因为人们逐渐意识到，如果我们不赶紧发展出一些靠得住的航天运输技术，某天说不定会有一颗小行星撞到地球，人类将就此一笔勾销），主带小行星和近地小行星数量如此悬殊，如果真想采矿，显然应该到主带去。

在小行星上工作的矿工们没法在当地生产大部分必需补给品。所以他们需要从地球或火星进口食物和其他必需品。从下面的表格中我们可以看到，做这样的生意，火星具有压倒性的地理优势。这是因为从火星出发去小行星带需要的火箭推进速度变量远小于从地球出发的，所以从火星出发的飞船需要的质量比（飞船满载燃料时的质量除以飞船净重）也低得多。

【表1】中，我们选择谷神星^[6]作为主带小行星的代表，因为它最大，而且正好位于主带的中间。不过，你会注意到，我也把月球作为

潜在的中继港。虽然从物理上说月球离地球近得多，但我们可以看到，从推进的角度来说，从火星去月球比从地球去容易得多！从火星到月球需要的质量比只有12.5，可从地球出发质量比是57.6。如果把目的地换成差不多任意一颗近地小行星，这一点还会更加明显。

除最后两行外，【表1】中给出的条目都假定运输系统采用甲烷/氧（CH₄O₂）发动机，比冲量为380秒；进入弹道轨道所需的速度变量也由高推力的化学推进系统实现。之所以这样选择，是因为甲烷/氧是可在太空中存储的化学推进剂中性能最好的，而且在地球、火星或含碳的小行星上都很容易生产。氢/氧推进剂的比冲量更高（450秒），却不能在太空中长期存储。此外，氢/氧推进剂比甲烷/氧贵10倍以上，而且体积也很庞大，要利用可重复使用的单级入轨（SSTO）飞行器把它送上轨道，无论送多少都很难（因此，要采用真正便宜的地面到轨道系统，就只好放弃它），所以便宜的可重复使用的太空运输系统用这样的推进剂不太合适。表中最后两行假定采用核电推进（nuclear electric propulsion，NEP）来完成行星际飞行，比冲量5000秒，推进气体是氩，地球和火星上都有这种气体；而从行星地面到低轨道则采用甲烷/氧推进。这些单级入轨、核电推进系统今天看来多少有点超前，不过等到我们讨论的那个时代，这样的行星际运输技术就是很保守的底线了。

可以看出，如果只用化学推进系统，那么，要把同样的净重送到小行星带，从地球出发需要的质量比是从火星出发的14倍。这意味着如果目的地是谷神星，从火星出发的有效载荷与起飞质量之间的比值比从地球出发的大（得多）。事实上，看看【表1】，我们可以打包票，要用化学推进在地球与谷神星（或主小行星带其他任何一颗天体）之间建立真正的贸易关系不大可能，可是从火星出发就相对容易一些。我们还能看到，要向地球的卫星运送货物，从火星出发的质量比收益也是从地球出发的将近5倍。如果采用核电推进，情况有所改观，不过变化不大。以主带为目的地，火星出发的质量比收益仍是地球的7倍。这就意味着，从火星出发的有效载荷与起飞质量之间的比值，比从地球出发高2个数量级左右。

这里说的还只是质量比，如前所述，火星的优势还没完全发挥出来呢。现在，我们可以来比较一下从地球或火星出发去谷神星的地面到地面任务，详见【表2】，表中考虑了纯化学推进和化学/核电组合推进两种方式。这两种任务运送的货物都是50吨。此外，两种推进系统都要考虑自身燃料箱的质量，我假定燃料箱质量是装载的推进剂质量的7%。地面到轨道的飞行器采用甲烷/氧单级入轨火箭，并假定除燃料箱外的飞行器净重（热防护、发动机、起落装置等）与其有效载荷相等，也是50吨。行星际化学能运输系统可以做得不那么牢固，所以我设定除燃料箱外的飞行器净重是有效载荷的20%。【表2】中所示的核电推进发动机把货物从火星运到谷神星需要10兆瓦电力（MWe），从地球出发则需要30兆瓦，这两种核电推进系统的质量能量比均为5吨每兆瓦。（火星直击任务中100千瓦的反应堆质量能量比是40吨每兆瓦，这里的核电推进系统轻得多。不过考虑到装置尺寸大得多，这里的背景也超前得多，所以可以认为这个质量能量比说得通。）这两个系统额定功率不同，但能量质量比基本相同。尽管如此，从地球出发的核电推进系统发动机工作时间仍是从火星出发的2.4倍。如果你想增大从地球出发的核电推进飞船的额定功率，来把发动机工作时间缩短到和火星出发的一样，那它的质量就会趋于无穷大。【表2】中的质量是指任务的全部质量。显然，这些需要发射的总质量都会分派到许多枚运载火箭头上。

你可以看到，不管是采用纯化学推进还是化学式运载火箭加核电推进行星际飞船，把同等质量的货物送上谷神星，从火星出发的发射质量都只有地球出发的1/50。如果采用运载能力1000吨的甲烷/氧火箭来完成这样一次货运任务，从地球出发需要发射107次，而从火星出发只需要发射2次。就算火星上的推进剂和其他发射费用是地球上的10倍，从火星出发仍然省钱得多。此外，这里的所有分析都假设飞船从小行星带返回时是空船。如果中途不在火星补充燃料，从地球出发时就带上足够将大量金属矿从小行星带运回来的燃料，这么算的话，从地球出发的任务就更没指望了。

得出的结论很简单：要送去小行星带的东西，能在火星上生产就在火星上生产。

因此，未来行星际贸易的轮廓就清楚了。地球向火星提供高技术产品，火星向小行星带（可能还有月球）提供低技术产品和口粮，小行星带将金属（而月球可能将氦-3）运回地球，形成“三角贸易”关系。殖民地时期英国和她的北美殖民地及西印度群岛之间就是这样的三角贸易关系。英国将产品运到北美，美洲殖民地将口粮和需要的工艺品运往西印度群岛，西印度群岛将糖等经济作物运回英国。19世纪，在东印度地区，英国、澳大利亚和香料群岛之间也是类似的三角贸易关系。

参考资料

[1]威廉布拉德福德（William Bradford，1590~1657），《五月花号公约》签署人之一，于1620年参与创立了普利茅斯殖民地，并在长达30余年的时间里担任普利茅斯总督。他所撰写的《普利茅斯开拓史》（OfPlymouthPlantation）是关于欧洲新世界殖民史的早期著作之一。本处译文节选自中译本《普利茅斯开拓史》，吴丹青译，江西人民出版社，2010年。

[2]CharlesCornwallis，美国独立战争中英军的指挥官，他的投降标志着英国在这场战争中大势已去。

[3]拿破仑出售路易斯安那州的实际价格合当时的美元约为1500万。

[4]英制面积单位，1英亩约合0.004047平方千米。

[5]英制重量单位，1盎司约合28.3495克。

[6]Ceres，人类发现的第一颗小行星，也是已知最大的一颗小行星，位于主带，极
直径约914千米。