金星的情况则相反:金星大气中氮的占比仅为3%至4%,远低于地球的近80%,但金星大气质量是地球的近100倍,且金星体积比地球略小,因此其大气中的氮总量,是地球宜居大气所需氮的数倍。后续只需为土壤和植物补充少量氮即可。
因此,金星是氮的重要来源之一,另一个来源是土星的卫星土卫六。土卫六的大气几乎由纯氮组成,其余主要是甲烷——这对火星这类星球的地球化改造十分有利,因为甲烷是温室气体,且富含氢。
我们该如何将物质从一个星球运送到另一个星球?比如把氢从木星运到火星或金星(金星本身氢储量极少)?想象一艘巨型飞船运送数十亿吨物质,这显然不太现实。
标准大气压下,一百万吨空气约占一立方千米空间。即便飞船体积如此巨大,要完成一颗行星大气的运送,也需要数十亿次往返。地球上最大的超级油轮仅能运载数亿吨石油,即便这类巨型船只每年往返一次,持续一千年,也需要一千万艘同时运作。
即便我们引导彗星撞击目标行星,也需要数亿甚至数十亿颗彗星才能满足需求。
如果你看过的巨型建筑系列,可能已经想到一些解决方案。该系列专门探讨如何低成本将巨量物质运离行星,而低成本是关键。举个例子,即便每吨运输成本仅1美元,总费用也会超过一千万亿美元,远超地球十年的GDP总量。
不要对地球化改造抱有不切实际的幻想,人们常常谈论技术可行性,却对实验室技术到行星级应用的转化过程一笔带过,准地球化改造是个例外,这也是它备受关注的原因。
不借助高度发达的自动化技术和能源,我们无法对任何行星进行地球化改造。有时我会提到,用行星大小的轨道镜为行星加热,人们会以成本过高为由反对,却转头提议运送相当于一颗行星质量的大气和水。
这些行星级轨道镜仅是几毫米厚的薄片,总质量甚至不到一万亿吨,而地球大气的质量约为五千万亿吨。
但这并非意味着不可能实现,太阳系中存在足够的资源:木星的氢储量远超地球的岩石总量,土卫六和金星都有丰富的氮,内太阳系除水星外,氧元素随处可见。
在土卫六这类星球,我们可能会采用质量投射器方案:将金属舱体(厚度约易拉罐,大小类似半挂卡车)装满高压气体,从表面连续发射。土卫六的重力远低于地球,我们可以建造数英里长、高耸出大气的发射装置。
制造这些结构和舱体的金属也不难获取:土卫六拥有岩石金属内核,在低重力星球上深度挖掘十分容易,只需融化冰层即可抵达岩石层,土星的其他岩质卫星也可作为金属来源。
质量投射器非常适合土卫六,太空电梯也是如此。但土卫六的太阳能资源匮乏,单位面积光照仅为地球的1%,且铀等核燃料资源可能并不丰富。因此,只有掌握核聚变技术,土卫六才能成为氮的有效来源。若没有核聚变,即便通过镜面聚焦太阳能驱动质量投射器,难度也极大。
要在数百年内完成改造,我们每年需要向目标行星运送数万亿吨物质。假设每个舱体搭载10吨氮气,要为火星输送足量氮,需要每秒发射一个舱体,持续3000万年。这意味着我们需要大量质量投射器和海量能源,才能在合理周期内完成任务。
土卫六全部太阳能铺满太阳能板,总功率约为10亿兆瓦,而地球约为2000亿兆瓦。即便将光能高效转化为动能,每吨物质送入太空也需要数千兆瓦能量,而如此高的效率并不现实。
若能实现高效转化,我们可在数百年内为火星输送足量氮;效率越低,周期越长,同时需要更多太阳能板和镜面,维护成本与时间也会增加。
毫无疑问,核聚变技术会极大简化地球化改造,也会让土卫六自身的地球化改造更具可行性——毕竟我们可能需要在土卫六驻扎数百年,持续抽取气体。
金星和木星的物质运送方式略有不同。我们可以在金星上层大气建造漂浮式质量投射器,将氮和二氧化碳射离金星;也可以从木星提取氢。木星的优势在于拥有强大的磁场,如果你看过天钩,就会知道天钩的理想运作方式,是利用电磁动力系缆技术,借助行星磁场补充动量。
天钩可以旋转下降,在漂浮精炼站卸下空舱、装载满舱,将物质射向目的地,之后因摩擦和动量转移略微降低高度,再借助磁场补充动量回升。理论上,我们可以从木星的卫星开采金属制造舱体,将其射向金星,金星捕获舱体并获取动量,将氢注入大气,再将舱体装满氮射向火星。
金星存在一定磁场,且太阳能资源丰富,旋转天钩(也被称为旋转运载器)同样适用,天钩补充动量也有其他方式。不过,使用漂浮式质量投射器可能更简便。
这些漂浮式建筑的原理和飞艇类似,需要注意的是,它们可以建造得非常巨大,且顶部高度可高于底部。我们可以将精炼站设置在空气更稠密的低处,发射点和驱动用的太阳能板则设置在空气阻力更小、光照更充足的高处。
稍后我们会更详细地讲解金星,现在先简单提一下虫洞。虫洞显然是快速运送物质的另一种方式,就像人工引力是将行星重力调节至地球标准的绝佳方法,核聚变是廉价充足能源的理想来源一样。
这三种技术中,只有核聚变在不久的将来有实现的可能,我个人对虫洞和人工引力的实现并不抱太大希望。
但我们探讨所有可行方案,因此不能略过这些技术。核聚变极有可能助力地球化改造,且作用巨大,但我们也会尝试讲解不依赖核聚变的方案。
同样,纳米技术或基因改造生物能在无大气星球上吞噬岩石、释放气体,也会为改造提供极大帮助。但由于热力学限制,这些技术都无法实现超快速地球化改造。
正如我们在《费米悖论:末日》中讨论纳米机器和灰色粘质时提到的,任何机械、化学或电气过程都会产生热量。当我们计算数据时会发现,行星级改造(如地球化)无论采用何种方式,产生的热量都会远超行星数年内接收的类地球光照总量。因此改造速度不能过快,否则多余的热量会熔化一切,包括改造设备。
即便使用虫洞,也需要考虑大量物质转移对压力和温度的影响。我们不会过多探讨这些技术,不仅因为它们不属于近期可实现的范畴,还因为它们会让研究主题变得无趣——如果只需投放一瓶纳米机器,几十年后就能得到一颗改造完成的星球,那就没什么可探讨的了。
同样,若能实现虫洞技术,我们不仅能开启通往水、氮资源丰富区域的通道,还能连接现有工业区域,方便人员与设施运输;甚至能将虫洞对准太阳,为火星增加光照、为金星输送氢,获得与核聚变相当的能源。
谈到核聚变,我必须提及目前人类掌握的唯一一种核聚变形式及其在地球化改造中的应用:热核炸弹,即氢弹。氢弹在地球化改造的构想中由来已久,可用于炸除行星多余大气,或快速从行星土壤中提取大气。
毋庸置疑,这会带来放射性沉降问题,但大型氢弹的能量几乎全部来自核聚变,本身不会产生大量放射性沉降物。很多人对用核爆启动火星地球化改造的方案感到抵触,其规模会超过最糟糕的核战争设想,但从让行星恢复宜居的角度来看,辐射问题其实比想象中更容易控制。
说实话,核爆方案在地球化改造讨论中频繁被提及,正是因为尽管存在辐射问题,它仍是非常有效的手段。毕竟,不存在完全无破坏的地球化改造,这也是生物改造与地球化改造存在伦理争议的原因。
我们说回金星,它常常被火星的光芒掩盖,人们很容易忘记金星在某些方面具备更多优势:重力与地球几乎一致,拥有充足的氮和光照——后两点其实也是金星的核心问题。
金星温度极高,大气质量是地球的近100倍,且主要成分为二氧化碳,比氮和氧更重。
从准地球化改造的角度简单来说,金星大气极其稠密,普通空气可在其中漂浮。巧合的是,在金星上层大气中,当气压降至地球标准时,温度也会变得适宜人类生存。
在约200英里的高度,我们可以用人类呼吸的普通空气制作气球,在适宜的温度和气压下漂浮,且能产生升力,因为空气密度小于二氧化碳。
当然,气球需要金属外壳,并承载一定重量。如果你不了解气体升力原理,其实很简单:计算相同压力和温度下,等体积本地大气的质量,减去等体积浮升气体的质量(热气球则是更高温度下的气体质量),剩余的质量差,就是外壳和有效载荷可承载的重量。
使用普通空气的优势在于,无需额外搭载氦气等浮升气体,可充分利用气球内部空间,同时还能储备可供呼吸的空气。
空气与二氧化碳的质量差约为每立方米700克,即10英尺见方的立方体空间约44磅。比如制作一个直径200米的铝制气球,体积约为420万立方米,可产生约300万千克(3000吨)的升力。
气球外壳面积约为12.5万平方米,1毫米厚的铝片每平方米重量不足3千克。如果愿意将一半升力用于制造外壳,外壳厚度可达到4至5毫米(约五分之一英寸)。
如果将直径翻倍,体积和升力会增加8倍,而表面积仅增加4倍。因此外壳厚度可翻倍,或保持相同厚度,仅需四分之一的升力承载外壳,而非一半。
随着体积增大,体积增长速度始终快于表面积,因此我们能在金星上建造极为壮观的漂浮式建筑,尤其是引入升力更强的氢之后,甚至可以建造由筏体连接而成的漂浮大陆。
这种方式在气态巨行星上并不适用,因为它们由氢和氦组成,呼吸用空气只能作为有效载荷,而非浮升气体——即便使用高温纯氢作为浮升气体,可行性也极低,且大量储存高温纯氢并非安全之举。但在金星及类似星球上,这种方式完全可行。
问题是,接下来该怎么做?
其实不一定需要后续步骤,就像我们可以用穹顶覆盖火星打造“星球温室”一样,我们也可以让金星遍布漂浮城市。即便将所有氮抽走用于其他星球,气球外的大气密度会更高,漂浮效果反而会更好。
但如果想在金星表面生存,并逐步移除稠密大气,最终就需要从漂浮栖息地过渡到地表定居,这可能需要用支撑柱从下方托起栖息地。对金星而言,这些支撑柱需要高达数百英里。
如果你看过质量投射器和发射环相关,可能会记得末尾提到的“太空喷泉”:一种用常规建筑材料无法实现的超高层巨型纤细结构。这正是我们在降低金星大气密度和温度时,托起栖息地的可行方案。
但该如何实现呢?一种方案是逐步将大气运送至太空;另一种给行星降温的方案,是在金星与太阳之间建造巨型太阳盾。
在金星当前的气压下,当温度降至地球标准时,二氧化碳会达到超临界状态,开始凝结形成液滴。在地球标准气压下,二氧化碳没有液态,直接从干冰升华为气体;而在气压为地球5倍以上时,二氧化碳会形成液态。金星的气压是地球的90倍,远高于5倍,因此会形成二氧化碳海洋。
我们只需持续为行星遮光,让极少甚至没有阳光照射,逐步将温度降至宜居标准。当温度降至217开尔文(零下70华氏度)时,这些海洋会冻结成干冰,我们只需将其覆盖即可。