超自動化時代的太空藍(lán)圖

陳梓鈞

導(dǎo)言

墨西哥灣蔚藍(lán)的大海上，風(fēng)平浪靜，白浪輕吻著微風(fēng)，海鷗競逐著魚群。在這片祥和的景象之下140米的深處，沉睡著人類有史以來最大的火箭。它高度足有165米，直徑23米，是登月火箭“土星五號”的兩倍還多。為了節(jié)約成本，設(shè)計師舍棄了昂貴的鈦合金等航天材料，而用廉價的潛艇用不銹鋼制造，這也造成它的總重高達(dá)1萬8千噸。由于太大、太重，沒有發(fā)射臺可以承受它起飛時的推力，只能將發(fā)射塔建在海底，僅有火箭頂部的飛船和逃逸塔露出水面。當(dāng)?shù)褂嫊r歸零，火箭點(diǎn)火升空，仿佛摩西劈開大海，于巨浪中緩緩?fù)衅鹨蛔撹F小山。八層樓高的發(fā)動機(jī)單噴管噴出宛如核爆炸般的烈焰，將數(shù)十萬立方米的海水瞬間汽化，方圓幾千米內(nèi)都降下一場灼熱的暴雨……

這個場景并非科幻小說的描寫，而是20世紀(jì)70年代可能發(fā)生的現(xiàn)實。

該型名為“海龍（Sea Dragon）”的巨型火箭是人類設(shè)計過的最具野心的航天發(fā)射載具之一，由美國海軍“北極星”潛射導(dǎo)彈的設(shè)計師羅伯特?特魯阿克斯（Robert Truax）設(shè)計，并于1963年1月提交給美國國家航空航天局（NASA）論證。如果“海龍”成真，人類在50年前就可以具備將450噸載荷送入近地軌道的能力，四倍于“土星五號”，并且運(yùn)載成本不到2018年最廉價火箭的十分之一①。然而，盡管這個火箭方案通過了嚴(yán)格的技術(shù)論證和經(jīng)費(fèi)計算，但最后沒有付諸實施。究其原因，無外乎是“沒有需求”和“造價昂貴”。

“海龍”火箭是傳統(tǒng)航天思維登峰造極的產(chǎn)物。這是一種“發(fā)射質(zhì)量”的航天——依靠化學(xué)燃燒產(chǎn)生反沖推力，將物質(zhì)送上太空。正如下面的齊奧爾科夫斯基火箭公式：

△v=wln（m0/mk）

其中m0/mk是點(diǎn)火前/后的火箭總質(zhì)量，w是火箭噴氣的相對速度， v是推進(jìn)令火箭產(chǎn)生的速度增量。

截至目前，航天發(fā)射都遵循該公式的思路：消耗巨大的質(zhì)量（火箭燃料）送極小的質(zhì)量（飛船）進(jìn)入太空。然而，正如公式所示，隨著有效載荷變重，所需要的火箭質(zhì)量、研制難度、成本都會呈指數(shù)爆炸式上升。例如2020年我國實施的“嫦娥五號”任務(wù)，2千克的月壤需要用重達(dá)869噸的“長征五號”火箭進(jìn)行采樣返回。如果把目光放到火星、木星、土星，這個質(zhì)量比還會更加夸張。

這是人類的“太空大航?！睍r代面臨的最大困難。

但技術(shù)的發(fā)展從來不是頭撞南墻式的死磕。當(dāng)遇到瓶頸，人類往往會在意想不到的地方發(fā)現(xiàn)突破口。正如中世紀(jì)的煉金術(shù)和星相學(xué)為現(xiàn)代化學(xué)、天文學(xué)埋下了伏筆一般，21世紀(jì)初IT產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)展帶來的自動化與信息技術(shù)，或許為傳統(tǒng)航天的困局打開新的通路：

將“發(fā)射質(zhì)量”的航天變?yōu)椤鞍l(fā)射信息”的航天。

太空序曲：從無人工廠到奧克松絲妖怪

年代：1957～2050

標(biāo)志：以化學(xué)燃料火箭運(yùn)輸信息化“種子”，在太空建立自我復(fù)制無人工廠

解鎖：十億兆瓦級太陽能電站;拉格朗日點(diǎn)太空城;突破攝星計劃;動量轉(zhuǎn)換器等

能級：卡達(dá)謝夫0.7～1級文明

相信大家聽過一句有名的話：“你們承諾要殖民火星，我卻得到了facebook。”

20世紀(jì)末，冷戰(zhàn)結(jié)束，太空探索的黃金時代逝去，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和賽博朋克卻一起興旺了起來。太空計劃被擱置，圖紙被封存，人類似乎被茫茫太空的廣袤和冷酷嚇住，蜷縮著回到了地球的搖籃里。

這意味著人類的墮落嗎？未必。

1964年，斯坦尼茲拉夫·萊姆創(chuàng)作科幻小說《不可戰(zhàn)勝的》，講述了人類飛船在太空中遭遇毀滅性的納米“灰云”的故事。所謂“灰云”是一種納米機(jī)器，最初是非常輕小的種子，卻能利用星球當(dāng)?shù)氐馁Y源復(fù)制自己，組裝為復(fù)雜的巨型結(jié)構(gòu)，最終形成不可戰(zhàn)勝的機(jī)械文明。這種機(jī)器就是“馮·諾依曼機(jī)”。它征服宇宙靠的不是巨型火箭，而是高度發(fā)達(dá)的信息和自動化技術(shù)。

20世紀(jì)40年代，馮·諾依曼在計算機(jī)幾乎不存在的時候構(gòu)思出了他所稱的“通用構(gòu)造器”，即“馮·諾依曼機(jī)”。這種能無限增殖的機(jī)器概念頓時引起了科學(xué)與科幻兩方面的注意，認(rèn)為這是一種潛在威脅。1986年“納米機(jī)器之父”德雷克斯勒（K. Eric Drexler）首先提出了“灰蠱（Grey Goo）”的概念①，聲稱失控復(fù)制的“馮·諾依曼機(jī)”能將地球轉(zhuǎn)化成由它們組成的粉末狀灰色物質(zhì)。萊姆的另一篇科幻小說《地上的和平》（Peace on Earth）中，人類考察隊從月球帶回了被誤認(rèn)成月壤的納米智能兵器“灰塵”，釀成了這種災(zāi)難。此外，邁克爾·克萊頓《獵物》，水妖精《灰色的憂傷》，電影《地球停轉(zhuǎn)之日》《特種部隊：眼鏡蛇崛起》《超驗駭客》以及游戲《群星》都描述了“灰蠱”的可怕威力。在王晉康《沙漠蚯蚓》中，納米機(jī)器甚至覺醒了智力，取代人類成為地球下一任的主宰文明。

然而，從另一個視角看，這種貌似可怕的機(jī)器會成為人類開拓太空的鑰匙。本質(zhì)上，它就是一粒搭載著信息的“種子”，可以做得非常輕小，將火箭從發(fā)射巨型載荷的苦役中解放出來。更有甚者，將它與霍金“突破攝星”計劃結(jié)合后，我們可以高速飛抵另一個恒星系，令“種子”自我復(fù)制建造望遠(yuǎn)鏡、通信天線，從而在有生之年看到幾光年之外的天空。

當(dāng)然，以人類目前的技術(shù)，造出如《獵物》中描寫的納米蟲還是太難了。但“馮·諾依曼機(jī)”不必造得如此微小。宏觀尺度的自我復(fù)制機(jī)，離我們其實并不遙遠(yuǎn)。

早在1981年，NASA就在一篇論文里提出了月球自我復(fù)制無人工廠的概念。它呈圓形，直徑可達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)十千米，在太陽能驅(qū)動下，沿著圓周的各功能區(qū)依次進(jìn)行著“新陳代謝”的循環(huán)：攝取物質(zhì)（礦車平整地面、采集月壤）、化學(xué)合成（提煉水及碳、硅、鎂、鋁、鐵、鈦的多種化合物）、制造零部件（硅晶圓、電纜、支架外殼、緊固件等）、裝配（太陽能板、芯片、電動機(jī)等）、生產(chǎn)（礦車、通信天線、化學(xué)合成爐、制造車床、裝配機(jī)械等）。隨著循環(huán)進(jìn)行，這個圓形無人工廠的直徑不斷擴(kuò)展，就像培養(yǎng)皿上生長的菌落一樣，最終把整個月球表面都變成太陽能電站。

在20世紀(jì)80年代，這個設(shè)想雖然原理上可行，但實際操作會遇到各種困難，尤其是信息化和自動化方面的。但如今信息技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)浪潮的帶動下迅速發(fā)展，這種設(shè)想正逐步成為現(xiàn)實。譬如埃隆·馬斯克在上海投建的特斯拉無人工廠，幾乎不需要工人參與即可完成汽車制造;又如2007年RepRap項目設(shè)計的一系列3D打印機(jī)，可以打印自身大部分零件（金屬吐絲頭和電路、芯片除外）。

在自我復(fù)制3D打印機(jī)成熟后，在太空出現(xiàn)第一個自我復(fù)制無人工廠前，我們會首先在地球上看到這種“超自動化”技術(shù)的實踐。王晉康在科幻小說《沙漠蚯蚓》中寫了中國研發(fā)的一種能吞噬沙漠制造自身的納米“蚯蚓”，而在現(xiàn)實中，這樣的沙漠蚯蚓有一個宏觀版本，稱為“奧克松絲妖怪”。它本質(zhì)上是一臺自動行走、采沙的太陽能聚光3D打印機(jī)，全身所有零件都可由二氧化硅（砂礫）熔化后燒結(jié)支撐。因為行為邏輯簡單（行走、吃沙、打印），它甚至可以不需要電路和芯片，在沙漠里以指數(shù)形式迅速增殖，將不毛之地化為產(chǎn)能驚人的太陽能發(fā)電基地。

正如凱文凱利所言，“我不能預(yù)言會出現(xiàn)蘋果公司，但能預(yù)言一定會出現(xiàn)智能手機(jī)?！碑?dāng)工業(yè)集成化、自動化、信息化、智能化這“四化”發(fā)展到一定程度，當(dāng)初NASA設(shè)想的月球無人自我復(fù)制工廠、神奇的“奧克松絲妖怪”也一定會以某種形式化為現(xiàn)實：當(dāng)普通的運(yùn)載火箭搭載著自我復(fù)制工廠的“種子”飛向太空時，“運(yùn)輸物質(zhì)”的航天就進(jìn)化為了“運(yùn)輸信息”的航天。這或許是在我們有生之年可以看到的、人類太空時代的黎明。

超自動化時代：從太空轉(zhuǎn)輪到太陽系鐵道

迎來黎明之后，人類生產(chǎn)力規(guī)模將擴(kuò)展數(shù)百倍，太空產(chǎn)業(yè)將如正午烈陽般炙熱紅火。這可以稱為太空探索的“超自動化”時代。

在“超自動化”時代前，人類盡管擁有了可自我復(fù)制的工廠，甚至將整個月球表面都變?yōu)榱颂柲茈娬?，但那幾乎都是無人設(shè)施。太空環(huán)境依然惡劣，人類平民仍然無法真正殖民外星球。

相比于地球，太陽系其他行星的當(dāng)?shù)刭Y源都無法支撐完整的工業(yè)或農(nóng)業(yè)。水星和金星缺水（氫），火星缺氮，木星、土星缺乏碳硅和金屬等較重元素。在地球上，某個地區(qū)的資源“偏科”尚且能靠全球化貿(mào)易解決。但因為太空遙遠(yuǎn)漫長的距離，要想進(jìn)行巨量原料物資的運(yùn)輸，還是需要巨大的火箭（飛船）。于是，我們同樣逃不脫齊奧爾科夫斯基公式的桎梏。

此時，我們需要將“超自動化”更進(jìn)一步，不僅利用行星當(dāng)?shù)氐馁Y源，而且要利用太空中所有可能的物資。

太陽系內(nèi)的太空中漂浮著數(shù)以萬計的小行星。它們大多分布在木星與火星間的軌道上，也有不少在各大行星之間穿梭，仿佛天然存在的擺渡列車。也許有人會想：能不能利用這些天然“擺渡車”呢？事實上這并不容易。要想追趕上這些小行星，首先就要將載荷加速到與它們相當(dāng)?shù)乃俣?而如果我們有了這樣的動力，又要“擺渡車”做什么呢？

但我們可以將它們作為動量轉(zhuǎn)換器的“配重”。

動量轉(zhuǎn)換器又稱“太空轉(zhuǎn)輪”，是系繩推進(jìn)（Tether Transport）的一種，可以幾乎不消耗能量地將巨量物資送入太空。它是一根細(xì)繩，由高強(qiáng)度碳纖維制造，長度約為50千米，以ω=8.2°/s的角速度繞中心旋轉(zhuǎn)，在100千米高的近地軌道上環(huán)繞地球運(yùn)行。繩子的末端有對接口，用于捕獲上行貨物或下行的“配重”。上行貨物由亞軌道火箭或飛機(jī)發(fā)射，當(dāng)它抵達(dá)75千米高的軌道頂點(diǎn)時，速度低于第一宇宙速度，不足以進(jìn)入太空。但恰好在此時，“太空轉(zhuǎn)輪”的一端從天而降，末端線速度恰好等于貨物飛行速度。它將上行貨物“抓住”，然后旋轉(zhuǎn)180度，把它甩出去，此時末端線速度將超過第二宇宙速度，貨物由此脫離地球引力，飛向茫茫太空。

顯然，世界上沒有免費(fèi)的午餐。在這一“抓”一“甩”之間，“太空轉(zhuǎn)輪”將自身的動量和能量傳給了貨物，速度和高度都會略微下降。為了彌補(bǔ)“太空轉(zhuǎn)輪”的損失，一顆重量和貨物接近的太空礦石（從某小行星開采得來）被“太空轉(zhuǎn)輪”捕獲，同樣旋轉(zhuǎn)180度，在旋轉(zhuǎn)過程中將自身的動量和能量傳給“轉(zhuǎn)輪”。分離后，礦石失去維持軌道的速度，變成隕石，墜落在地面的“隕石礦場”中。

據(jù)西蒙和舒斯特等人①在他們的著述中描述，動量轉(zhuǎn)換器的技術(shù)難度比太空電梯低得多。太空電梯長度至少有36000千米，而“太空轉(zhuǎn)輪”只有50～200千米。太空電梯要求碳納米管作為材料，而“太空轉(zhuǎn)輪”只需要T1000以上抗拉強(qiáng)度的碳纖維。當(dāng)然它的代價也是有的：需要消耗大量太空碎石作為“配重”。這些碎石最宜從小行星開采得來。因為開采規(guī)模巨大，必須要用到前一章所述的“自我復(fù)制機(jī)”。

此時，“超自動化”時代的太空交通藍(lán)圖就已經(jīng)呼之欲出了：自我復(fù)制工廠在無數(shù)的小行星上吸收太陽能，進(jìn)行著指數(shù)型增殖，每年將數(shù)億噸礦石投向地球、月球、火星、木星等大行星的軌道;而數(shù)百架“太空轉(zhuǎn)輪”則在這些星球的軌道上晝夜不息地旋轉(zhuǎn)，接住礦石，拋射出飛船、礦產(chǎn)、物資、產(chǎn)品和零件。這一太空運(yùn)輸體系將以每年數(shù)億噸的吞吐量將在各大行星間交換物質(zhì)，徹底解決太空工業(yè)“元素短缺”的問題……

當(dāng)人類走到這一步時，星辰大海的道路才算是真正打開！

有朝一日，我們將在地球賞月，在火星漫步，在金星的云頂觀星;我們的餐桌將擺上金星的云藻酒、火星的念珠土豆和木衛(wèi)二的法拉第魚;奧運(yùn)健兒們將在奧林匹斯山滑雪、在維羅納峭壁跳崖②;而每當(dāng)春節(jié)到來時，由動量轉(zhuǎn)換器組成的太陽系“五縱三橫”鐵道網(wǎng)上一定會擠滿了歸鄉(xiāng)的人潮，而在海王星甲烷油田堅守崗位的工程師們，將向地球投來有史以來最遙遠(yuǎn)的思鄉(xiāng)的目光。

遠(yuǎn)未來：行星地球化改造、戴森球與超時空接觸

如果把建立系外行星基地的壯舉比作19世紀(jì)美國的西進(jìn)運(yùn)動，那么，在這場運(yùn)動臨近尾聲時（太平洋鐵路建立），美國絕大部分人口仍集中在東部地區(qū)。太空拓荒很可能也是如此。直到太陽系都被納入人類的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)圈，絕大部分外星球仍然會像美國西部的荒漠般地廣人稀。畢竟自然環(huán)境太惡劣，用人開拓遠(yuǎn)不如靠自動機(jī)械來得劃算。

除非進(jìn)行“行星地球化改造（Terraforming）”。

太陽系內(nèi)適宜行星地球化改造的天體有兩個：金星和火星?；鹦堑母脑煊写罅靠茖W(xué)與科幻的方案，例如金·斯坦利·羅賓遜的《紅火星》《綠火星》《藍(lán)火星》，描述了用巨型軌道反射鏡蒸發(fā)干冰、挖掘深入地層的深井釋放地?zé)?，促進(jìn)火星的溫室效應(yīng)。與火星相反，金星的改造需要削弱溫室效應(yīng)，于是有了釋放能在金星酸性云頂部生存、進(jìn)行光合作用的“云藻”，或是能養(yǎng)殖微藻并自我復(fù)制的生化機(jī)械氣球，等等。

這一系列方案的難點(diǎn)在于元素的平衡，畢竟金星天然缺水（氫），火星重力不足，都需要其他行星持續(xù)不斷地為其提供數(shù)以億噸計的物質(zhì)輸入。這在當(dāng)代是不可想象的，但有了幾乎不消耗能量的“太陽系鐵道”和指數(shù)增長的自我復(fù)制機(jī)，這些狂想將成為可供工程師探討的規(guī)劃。

更有甚者，當(dāng)自我復(fù)制機(jī)的規(guī)模足夠大時，人類將接近卡達(dá)謝夫II型文明的臨界點(diǎn)：實施“天體工程”。最著名的天體工程當(dāng)屬戴森球/戴森環(huán)：通過自我復(fù)制機(jī)、電磁發(fā)射導(dǎo)軌和太空轉(zhuǎn)輪拆解水星，將其化為環(huán)繞太陽運(yùn)行的太陽能發(fā)電環(huán)帶，甚至將太陽整個包裹起來。更夸張的天體工程還有Shakadov恒星驅(qū)動光帆，或“恒星引擎”。當(dāng)然，這種光帆不太可能是一個整體，而是許多自我復(fù)制機(jī)的鏡面單元，靠光壓和引力平衡維持穩(wěn)定，而太陽位于這個離散式拋物反射鏡的焦點(diǎn)上，在反沖原理的作用下緩步前行。

讓我們想得再遠(yuǎn)一點(diǎn)兒。恒星尺度的推進(jìn)器居然還用著和火箭一樣的反沖原理，在未來人看來，這也許就像“皇帝的金鋤頭”般可笑。更省事的方法仍舊是“發(fā)射信息的航天”：將人類的身體信息數(shù)據(jù)化，以電磁波、中微子甚至引力波的形式射向太空;或像電影《超時空接觸》中描寫的那樣，將用于接觸的裝置圖紙發(fā)送到千百光年外的星球，由當(dāng)?shù)厝私M裝，借此進(jìn)行交流。如果曲率驅(qū)動等超技術(shù)難以實現(xiàn)的話，那這可能是人類進(jìn)行“星際穿越”的唯一辦法。

結(jié)語

看到這里，讀者們或許會覺得這幅藍(lán)圖太樂觀了。

誠然，無論是自我復(fù)制機(jī)、動量轉(zhuǎn)換器還是光帆、裂變/聚變飛船等都有各自的技術(shù)困難：自我復(fù)制機(jī)是制造業(yè)皇冠上的明珠，要在有限空間內(nèi)容納完整工業(yè)體系，還要解決精度發(fā)散、代際劣化等問題;動量轉(zhuǎn)換器要在零點(diǎn)幾秒的瞬間完成貨物的捕獲、飛船的對接，還得在稀薄大氣、太陽風(fēng)、地磁場等復(fù)雜干擾下保持穩(wěn)定。而當(dāng)技術(shù)困難解決后，還有復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)和政治問題。最后，還需要戰(zhàn)勝人性。劉慈欣在演講“內(nèi)向與外向的未來”中提過，人類沉浸于IT技術(shù)營造的虛擬現(xiàn)實，將斷送人類進(jìn)入太空的前程。如果人類不能戰(zhàn)勝好逸惡勞的本性，那遲早會在地球上迎來滅亡。

但無論如何，我們已經(jīng)有了藍(lán)圖。

科技不是一棵“樹”，而是一張“網(wǎng)”。技術(shù)進(jìn)步從來不是一兩個熱門方向的線性演化，而是多個熱門方向在不同時代的相互促進(jìn)。在我們眼前的不是“航天還是賽博”的二選一，也不是“向內(nèi)還是向外”的岔路口。我們眼前的是一片平原——有無數(shù)方向、無數(shù)方案、無數(shù)可能性的平原。若遇到不可逾越的障礙，便向側(cè)面繞開;若遇到美景的誘惑，不妨走過去看看。這會繞一點(diǎn)兒路，但我們不必?fù)?dān)心。因為在這條通往星辰大海的路上，我們走過的每一個彎路都不會是無用的。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，我們放下了火箭，拿起了智能手機(jī)。這看似是“退化”，但只有這智能手機(jī)里的A.I.芯片，才能驅(qū)動著自我復(fù)制機(jī)在月球吞吐硅沙;硅砂被轉(zhuǎn)化為太陽能板和激光陣列，鋪滿了月球，驅(qū)動光帆將“種子”射向小行星帶;小行星上“種子”呈指數(shù)增殖，將其拆解為碎石，為“太空轉(zhuǎn)輪”提供了動力;“太空轉(zhuǎn)輪”日夜不息地旋轉(zhuǎn)，將工業(yè)體系播撒到整個太陽系，為行星地球化、戴森環(huán)等“天體工程”提供必須的巨量物質(zhì)……

對于這樣的藍(lán)圖，我充滿信心。

【責(zé)任編輯：艾 珂】

① “海龍”火箭直接發(fā)射相關(guān)費(fèi)用為每磅載荷10美元至20美元。將研發(fā)成本分?jǐn)偟?40次發(fā)射中的話，則成本效益大約可控制在每磅載荷20美元至30美元。相應(yīng)地，獵鷹重型火箭約為每磅載荷514美元。

① 埃里克·德雷克斯勒. 創(chuàng)造的發(fā)動機(jī)[J]. 中國科技信息， 2006， 000（007）：73-75.

① 《空間設(shè)計：二十一世紀(jì)空間探索藍(lán)圖》，Designs on Space： Blueprints for 21st Century Space Exploratio[M]n. Simon & Schuster. 2000

② 火星的奧林匹斯山高達(dá)26千米，是太陽系最高的山脈，背陽面覆有二氧化碳干冰;天衛(wèi)五的維羅納峭壁高達(dá)5～10千米，是太陽系最高的懸崖，而因為重力很低，從這里跳下去不會摔死。