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私人空间工业化就在这里 猎鹰火箭和龙飞船迎来了一个新时代
2020年08月19日    阅读量:855     新闻来源:中国风格网 stylechina.com    |  投稿

围绕着载人龙飞船发射的普遍欢乐使人们容易忽视,猎鹰火箭的红色眩光标志着一个新时代的到来-私人空间工业化时代的到来。人类历史上第一次,我们不仅在探索一个新的大陆。作为一个生物物种,我们正在前进到一个新的元素-宇宙。

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人类的整个历史就是我们与时空斗争的故事。掌握新的视野,走得更远;人们出于对美好生活或利润的渴望,出于恐惧或好奇心的驱使,人们发现了更快,更轻松,更便宜,更安全的方式来征服这里和那里的空间。19世纪初,托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson)从拿破仑(Napoleon)买下路易斯安那州时,实际上当时的美国领土翻了一番,他认为定居者要在非洲中部居住这些地方需要数千年的时间。 。


但是仅仅过了几十年,加利福尼亚州的黄金发现动员了大批勤奋的人们,为资本创造了动力,并需要新技术。随着无数新人马车穿过陆地,铁路线从海岸延伸到海岸,城市和定居点兴起,杰斐逊(Jefferson)200多年前的设想得以实现-并仅用了一条人类的生命。


我成长于蒙古的一个小村庄,靠近成吉思汗(Genghis Khan),他在那里开始了13世纪的旅程,该旅程导致了历史上最大的连续土地帝国,我对探险家的历史早有兴趣。我花了许多西伯利亚漫长的冬季暮光之城来阅读有关伟大地理发现的书籍,我为将我置于一个无聊的时代而苦恼,在这个无聊的时代,所有新土地都被发现了,所有边界都被绘制了地图。


我几乎不知道,仅在几十年后,我将度过世界上有史以来最激动人心的人类探索时期。


下一场太空竞赛

近年来,整个太空工业一直在等待并寻找将成为太空淘金热的东西。人们可以无休止地谈论太空对人类的重要性,以及太空活动和太空活动开发的技术如何帮助解决地球上的问题:卫星图像,天气,电视,通信。但是,如果没有真正的“太空热潮”,没有短期的精神错乱将大量的金融资源,企业家精神和工程人才注入太空工业,就不可能引发新的“太空竞赛”。


目前,整个太空经济(包括火箭,通信,图像,卫星和乘员飞行)不超过1000亿美元,不到全球经济的0.1%。相比之下:在1990年代末的互联网泡沫时期,该行业公司的总资本额超过全球GDP的5%。1850年代加州淘金热的影响如此巨大,以至于改变了整个美国经济,从根本上在西海岸建立了一个新的经济中心。


当前的太空经济规模还不足以引起全球经济的真正构造转变。我们在21世纪的这个地方有哪些候选人?我们都是太空巨星部署的见证人,例如SpaceX的 Starlink ,来自亚马逊的Kuiper和其他一些规模较小的公司。但是,这个市场足以创造真正的淘金热吗?全球电信市场的规模令人印象深刻,为1.5万亿美元(约占全球经济的1.5%)。


如果同时出现多种因素,无人乘车乘客的多媒体内容消费量急剧增加,物联网领域的快速增长,那么卫星电信服务的中期发展将达到1万亿甚至更多。然后,有理由相信,当涉及太空经济时,这一部分可能是增长的驱动力。当然,这并不是5%(互联网泡沫时代就是这样),但它已经占世界经济的1%。


但是,尽管电信,卫星图像和导航具有所有重要意义,但自太空时代开始以来,这些都是传统的太空应用,已经使用了数十年。它们的共同点是这些都是高附加值的应用程序,通常在地面上没有替代品。地球监测和全球通讯很难在太空以外的任何地方进行。


因此,空间资产的高成本是过去太空应用的主要障碍,高成本主要是由高发射成本引起的,历史上每公斤高达数万美元。为了使太空真正实现工业化并出现新的太空服务和产品(其中许多将替代目前在地球上生产的服务和产品),需要在太空中发射和运输货物的成本进行一场革命。


太空运输

没有运输,就无法想象掌握新领土。铁路,航空,集装箱等新的人员和货物运输方式的发明和发展创造了我们所知道的现代经济。太空探索也不例外。但是,这片领土的物理性质带来了巨大的挑战。在地球上,我们处于巨大重力井的底部。


为了将货物送入轨道并克服重力,您需要将物体加速到8 km / s的惊人速度-比子弹快10-20倍。不到火箭启动质量的5%到达轨道。因此,答案在于可重用性和大规模生产。火箭科学的齐奥尔科夫斯基方程式的暴政也导致了必要的大型火箭的发展。它为SpaceX和Blue Origin等公司制定了战略,他们正在开发大型甚至巨大的可重复使用的火箭,例如“星舰”或“新格伦”。我们很快就会看到,发射到太空的成本甚至不到每公斤几百美元。


但是火箭只对将大量物体发射到近地轨道有效。如果您需要将货物分配到不同的轨道或将其运送到重力井的最顶端(GEO,HEO,Lagrange点或月球轨道等高轨道),则需要增加更大的速度差。这是另外3-6 km / sec或更高。如果为此使用常规火箭,则去除的质量比例将从5%降低到不足1%。在许多情况下,如果所交付的质量远小于大型低成本火箭的能力,则您需要使用价格更高(每千克运输的货物)的中小型发射器。


这需要多式联运,巨大的廉价火箭将货物运送到低地球轨道,然后在最后一英里的太空拖船上将货物分配到目标轨道,更高轨道,月球和太阳系中的其他行星之间。这就是为什么我于2017年成立的Momentus公司,其开发的是用于“轮辐式”多式联运到太空的拖船,并于2020年12月进行了Falcon 9乘坐共享航班的首次商业飞行任务。


最初,太空拖船可以使用从地球输送来的推进剂。但是随着太空运输规模的增加以及将货物从低地球轨道移开的需求,产生了使用一种不能从地球表面而是从月球,从火星或从地球获得的推进剂的需求。小行星-包括近地小行星。幸运的是,太阳系的演化过程给了我们礼物-水。在可能的火箭燃料候选物中,水是太阳系中分布最广的。


在月球上发现了水;在两极附近的火山口中,有大量的冰。在火星的地下,有巨大的冷冻水海洋。我们在火星和木星的轨道之间有一条巨大的小行星带。在太阳系形成的黎明,木星的引力阻止了一颗行星的形成,以数十亿颗小行星的形式散布碎片,其中大部分含有水。木星的相同引力会周期性地将小行星“抛出”到太阳系的内部,形成一组近地小行星。数以万计的近地小行星是已知的,其中近千颗直径超过1公里。


从天体力学的角度来看,从小行星或从月球输送水比从地球输送水要容易得多。由于地球具有强大的引力场,因此输送到引力井最顶端(对地静止轨道,拉格朗日点或月球轨道)的有效载荷与初始质量之比小于1%;而从月球表面可以发射70%的原始质量,而从小行星可以发射99%的质量。


这就是为什么在Momentus我们将水用作推进器的推进剂的原因之一。我们开发了一种新型的等离子微波推进系统,该系统可以利用太阳能作为能源,而水作为推进剂(简称为反应物质)来推动我们的车辆进入太空。水的选择还使我们的航天器极具成本效益且简单。


大型,可重复使用的低成本火箭的普及和太空最后一英里的交付开辟了旧运输价格范围内无法实现的机遇。我们认为,从低地球轨道到低月轨道,将货物运送到月球空间几乎任何位置的价格在5-10年内将大大低于$ 1,000 / kg。最令人兴奋的是,它为引入一种超越传统通信,观察和导航的全新空间应用类别提供了机会。应用程序将启动真正的太空工业化并催化地球工业向太空迁移的过程。


现在,让我们成为太空未来主义者,并尝试预测未来5-10年内太空淘金热的未来候选人。低成本太空运输将推动下一个前沿领域的应用程序发展?太空中有数万亿美元的企业。


发电

能源生产是淘金热的第一个也是最大的候选者,因为全球经济中的能源份额约为8.2%。太空发电具有许多惊人的优势。首先,它是发电的连续性。在太空中,我们的太阳是一个运行24/7的大型热核反应堆。无需在夜晚和恶劣的天气下蓄电。结果,同一表面每24小时收集的能量是地球上能量的10倍。


从直观上看,这不是显而易见的,但是没有暮光之城或夜晚,也没有云,大气层或积聚的灰尘,为电力生产创造了独特的条件。由于微重力作用,结构较轻的空间发电厂最终可能比陆上发电厂的成本低得多。能量可以通过微波或激光束传输到地面。但是,建造空间发电站至少有两个主要挑战仍然需要解决。首先是发射到太空的成本,然后是太空运输的成本。


大型火箭和可重复使用的太空拖船的组合将使从地球到最佳轨道的货物运输成本降低至每千克数百美元,这将使运输份额每千瓦时不足一美分。第二个问题是稳定大块面板所需的推进剂数量,这些面板会被太阳辐射压力推走。每生产1吉瓦的发电量,每年将需要500-1,000吨推进剂。因此,要具有与美国相同的发电能力(1200 GW),您每年将需要多达100万吨的推进剂(每小时发射8枚Falcon 9或每小时发射1艘Starship)。


发电将是在月球空间内推进剂的最大消耗者,但是从地球上输送推进剂在经济上太低效了。答案就在月球上,在北极附近的40个永久变暗的火山口中,估计有6亿公吨的冰。仅此一项就足以满足数百年的空间动力运营需求。


数据处理

数据计算和处理中心是地球上最大,增长最快的能源消耗者之一。在过去十年中实施的效率改进仅增加了对大型基于云的服务器场的需求。仅美国的数据中心每年就消耗约700亿千瓦时的电力。除了运行处理和存储数据的系统所需的能量外,冷却这些系统还需要大量能源和环境成本,这直接转化为政府和私营企业所花费的资金。


不管它们如何高效地运行,数据中心的扩展以及对不断增加的功耗的需求在经济上或环境上都是不可持续的。代替通过微波或激光将能量发射到地面,可以将能量用于空间数据处理。与千兆瓦相比,从太空流传输TB级和PB级要容易得多。像AI这样的耗电大户,可以轻松地将其转移到太空,因为它们中的大多数都可以承受延迟。


太空采矿

最终,小行星和月球将成为人类作为空间物种的主要采矿省。稀有和贵金属,建筑材料,甚至是碎石将用于新的太空经济,太空工业化和太空栖息地的建设。但是,从月球或小行星上开采的第一种资源将是水-这将是未来太空经济的“石油”。


除了在小行星和其他天体上可以发现水以外,它还很容易提取。您只需要加热融化冰块或从水合物中提取水即可。无需低温系统(如液态氧或氢气),水就可以轻松存储,并且不需要高压水箱(如稀有气体-离子发动机的推进剂)。


同时,水是用于不同推进技术的独特推进剂。它可以用作电热火箭发动机(如Momentus的微波电热发动机)中的水,也可以分离成氢气和氧气以用于化学火箭发动机。


制造业

太空运输成本的中断可以使太空成为人类的新产业带。微重力可以支持为诸如光纤之类的地面应用创建新材料,而不会在强重力场中的生产过程中不可避免地出现微小的缺陷。这些缺陷增加了信号损耗,并导致透射光的大量衰减。此外,微重力可用于未来的太空经济中,以建造用于发电的巨型结构,为游客提供太空旅馆以及最终成为人类居住地。在太空中,您很容易拥有地球上无法达到的真空度。这种真空对于生产超纯材料(如晶体,晶片和全新材料)将非常有价值。当原材料的主要来源不是地球时,太空制造的统治将开始


太空运输中断带来的未来市场机会是巨大的。即使没有太空旅游,太空栖息地在10-15年内也将是近2万亿美元的市场。无疑,这将导致太空淘金热,这将推动人类文明向后代发展。


最后的疆界

在苏联的最后几年,我在高中学习。苏联经济正在崩溃,我们屋子里没有卫生设施,而且很多时候我们都没有电。在那些漆黑的夜晚,我借助煤油灯学习了物理和数学书籍。我们有一个不错的社区图书馆,我可以从新西伯利亚或莫斯科等大城市的大型图书馆订购书籍和杂志。那是我进入世界的窗口。太棒了。


我在阅读有关旅行者号飞船的飞行以及对太阳系的探索,并在思考自己的未来。那段时间,我意识到自己在科学和数学上既爱又擅长,于是我决定成为一名太空工程师。我在1993年接受当地一家报纸采访时告诉记者:“我想研究先进的推进技术。我梦想着未来,在那里我可以参与太空探索,甚至可能飞往火星……”


现在,未来即将到来。


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