第 4.1 节：计划概述

本节概述了我们选择的计划。第 4 部分的后续章节、第 5 部分的设计研究以及其他地方和链接的相关文章将提供更多详细信息。截至 2017 年末，该计划概念尚不完善，欢迎读者为此做出贡献并加以改进。概念设计和初步设计是总体设计和开发的早期阶段，尚未完成。因此，我们尚未选择所有首选方案，并且经常会提出多个候选方案。

计划目标

每个计划都需要可识别的目标和目标来指导设计和实施工作。 第 5.1 节 是早期的一项研究，旨在制定这些目标和目标，并制定满足这些目标的初始设计概念。计划目标最简洁的表述是

升级地球上的文明，并逐步扩展到更困难的环境，包括太空中的多个区域。

支持这一目标的计划目标包括

改善地球上的生活 通过开发更好的技术来制造物质商品，并从当地资源中可持续地生活。
扩大物质和能源资源 通过获得目前难以到达的地球和太空位置。
提高生物圈安全性 通过适应更困难的环境，包括地球本身的未来变化，以及抵御不希望的变化。
减少来自太空的危害 通过识别它们是什么，然后开发处理它们的方法。
更好地了解地球 通过观察我们的家园星球、它在太空中的环境以及其他星球和环境。
长期生存 通过分散到多个位置并获取所需的新资源。
增加选择和自由 通过开放无人居住的地区供居住和使用。
增加机会 通过获得未开发的资源和更有效的技术。

该计划的预期收益包括

低成本进入太空，消除了目前进入太空的障碍。
衍生技术 来自尝试完成困难的任务，然后可以在其他地方找到用途。
对未来的乐观态度 通过证明我们并不处于一个有限的、封闭的世界中。乐观的态度反过来改变了人们的行为方式。

该计划的这些益处归功于整个文明，尽管具体项目可能由较小的组织资助和执行。

计划概述

我们目前的文明仅显著利用了地球表面的 13.5%。如果平均分布在该区域，生物圈加上人为环境约为 200 公斤/平方米。这仅占地球总质量 117.1 亿公斤/平方米的微小部分。已知的太阳系主要行星和小天体总质量是地球质量的 447 倍。从厚度上来说，我们目前的文明相当于我们使用的地球部分的 20 厘米厚的一层。与地球主体相比，这只是一层非常薄的薄膜。该层厚度假设内容物平均为水的密度（生物大约是这样），并且被压平并均匀分布。

我们的文明在所有形式上使用约 20 太瓦的能量。忽略其他能源，这仅占照射地球的 174,000 太瓦阳光的一小部分，而太阳产生的 383 万亿太瓦的极小一部分。贫困和物质短缺等问题并非源于资源短缺。它们的存在是因为我们几乎没有使用存在的巨量物质和能源资源。因此，我们计划的方法可以简单地解释为“使用更多已经存在的资源”。当然，我们希望负责任地这样做，并将对生物圈和人们当前生活的副作用降到最低。

总体方法

从历史上看，人们首先占据了最容易的环境，并利用了最容易获得的材料和能源来源。我们的计划理念是继续走“先易后难”的道路，但将现代技术应用于逐步占据和使用地球上越来越困难的环境，然后是太空环境。我们可以利用现有的生产设备，并使用“智能工具”（自动化、软件、机器人和人工智能）来高效地制造更多产品。从最容易的地方开始，即人们已经居住的现有地点。然后，将启动设备集发送到下一个更困难的环境，在那里它们可以使用当地能量和材料来增长。当它们扩展到足够大时，它们就可以帮助在更困难的位置开始。当环境不太困难时，人们会陪同启动设备集。在更极端和偏远的地方，设备会自动运行或通过远程控制运行，直到为人们建造了合适的空间。通过这种方式，文明可以逐步升级人们已经居住的地方，水平扩展到我们大部分尚未使用的区域（如海洋、沙漠和冰盖），以及垂直向下进入地球和向上进入太空。

我们预计该计划将作为许多独立的项目执行，每个项目都有其自身的原因。然而，出于工程分析、设计和优化的目的，我们将把该计划作为一个整体来考虑。这类似于飞机设计必须考虑飞机运行的机场和空中交通管制系统，即使飞机制造商、航空公司、机场和空中交通管制网络都由不同的组织运营。通过展示整个计划，我们希望为未来提供一个充满希望的愿景，并激励人们根据自己的兴趣和能力遵循所选部分。

我们的“先易后难”方法是一系列逐步升级和扩展到新环境，以前区域提供开启下一区域的手段。在建立新区域的同时，现有区域继续被占据和使用。因此，我们将计划组织成多个阶段，这些阶段具有交错的开始时间（图 4.1-1）以及哪些阶段导致后续阶段的顺序（图 4.1-2）。一旦开始，某个阶段将与早期阶段以及计划之外的文明其余部分并行进行。反过来，阶段被细分为更小的项目、地点和功能，并具有执行这些功能的工程系统和子系统。计划的各个部分在所有级别以及文明的其他部分之间通过各种输入和输出相互交互。

前四个阶段始于地球。它们是

阶段 0：研究与开发
阶段 1：启动项目与网络
阶段 2：分布式和工业发展
阶段 3：地球其他发展

研发阶段为后续阶段提供必要的技术和设计，因此排在首位。第一、第二和第三阶段以运营规模和中等、困难或极端操作环境进行区分。不同的规模和环境将导致不同的特定设计，因此我们为每个阶段定义了阶段。小型设备可以用来制造大型设备，并可以集中起来形成更大的生产系统，因此从启动阶段到分布式阶段再到工业阶段的顺序。最容易开始的地方是条件适中的发达地区，因此前三个阶段都从那里开始。第三阶段在此基础上积累经验，因此排在第四位，在更难的环境中进行。如果你想知道为什么一本关于太空系统的书中七个阶段中有四个是在地球上的，请记住，目前大多数太空活动实际上是在地面进行的。例如，有六个人在轨道上的国际空间站上，但仅美国部分的项目在地球上就雇佣了大约 12,000 人。

剩下的三个阶段是在太空中进行的，这通常比地球上最困难的地方还要难。这部分是由于缺乏呼吸空气、辐射和温度等条件。到达太空不同区域所需的能量和旅行时间增加了其难度。这些阶段是

阶段 4：轨道开发
阶段 5：行星系开发
阶段 6：星际开发

轨道开发从最靠近地球的区域开始，并按距离向外延伸到更高轨道，然后从内到外绕太阳运行。行星系区域受月球和主要行星的引力束缚。它们包括围绕它们运行的轨道、它们表面的轨道和它们卫星的轨道。最后，星际区域不受我们太阳和太阳系的束缚。第 4、5 和 6 阶段的顺序是根据到达其位置的距离和难度，因为给定区域的设备必须来自或经过之前的区域。

大多数主要阶段都分为更具体的子阶段：2A、2B、3A、3B 等。整个增长和扩张序列旨在从启动之日起就能自我筹资。自我扩展的生产和其他新技术应该有足够的价值来证明其自身的发展。在地球和太空中逐步使用这些技术可以为每个后续扩展提供资金。

阶段 0：研究与开发 (R&D)

现有的文明已经积累了大量的技术知识、设计和设备。一些新的物品是各种项目阶段所需要的，因此研发阶段将完成开发这些物品的必要工作。这包括概念设计和初步设计、组件研究、详细设计、原型制造和测试。完成的物品将供应给后续阶段，并在适当的时候供应给整个社会。来自此阶段的新知识和技术也将贡献回整个文明。研发阶段分为多个子阶段，根据需要研发工作的后续阶段进行划分。这包括阶段 0 本身，以防需要独特的设施、设备或流程来进行研发工作。

种子工厂

在阶段 0 中开发的第一项主要技术是种子工厂。我们认为这个概念足够重要，它在地球上的应用与太空的不同，值得专门出一本书来探讨。种子工厂是一种系统，可以从一组启动的人员和设备开始，根据需要扩展到任何规模。它们通过使用现有工具和机器、当地能源和材料资源以及工艺和设计知识来制造更多自己的设备来增长。随着新的和不同的设备添加到集合中，增长率可以呈指数级增长。与任何其他工厂系统一样，种子工厂旨在生产有用的成品。投入生产的产量用于增长与成品之间的比例是可以变化的，并由用户需求决定。它们尽可能地利用智能工具，例如自动化、软件、机器人和人工智能，来利用人们的工作。智能工具和远程控制在应对困难和极端环境方面尤其有用。

当前的技术水平不允许种子工厂完全自动化或制造 100% 的自身部件，因此它不是完全自我复制的。相反，目标是达到高水平且不断提高的自我生产和自动化水平。当扩展到新的环境或位置时，你会带上一套启动设备，它会开始使用当地材料和能源来制造新设备的部件。任何无法在当地找到或制造的东西将继续进口，但随着当地产能的增长，进口量会下降。环境越远越困难，当地生产相对于从其他地方带来一切的优势就越大。因此，这种方法在您向太空深处进发时变得更加有用。即使在地球上已经开发的地区，一套启动设备也比一座完整的工厂便宜。因此，种子工厂在地球上的使用具有经济合理性。

在已经开发的地区，不断增长的工厂除了使用当地的原材料外，还可以将当地的废物和废料作为投入。这带来了环境效益。在发达地区和新地区，它们都会接受任何输入，并将它们转化为成品材料，然后转化为成品零件和完整产品。工厂无法高效制造的物品将继续进口，一小部分物品将需要在当地找不到的稀有材料。因此，即使它已经达到全尺寸，工厂也不可能生产 100% 的需求。该程序中的所有位置以及整个文明将构成一个相互关联的贸易网络，彼此供应当地缺乏或难以制造的东西。

其他技术

一些其他新技术或升级技术将对该计划有用。一个例子是分布式生产网络。传统的工厂将人员和设备集中在一个地方，因为这是高效组织工作的唯一途径。有了现代通信和运输，可以协调分布在许多地方的工作。这已经实现了软件开发，但需要改进实体商品的开发。需要改进的领域包括远程操作和自动流程编译，以支持不断变化的设备集。

在空间技术方面，当前的计划还没有完全整合现有的知识和硬件，例如电力推进。他们还没有完全整合最基本的在轨生产方法，尽管目前正在进行一些相关研究。许多新想法由于资金不足而停滞不前。因此，研发阶段将遵循双重方法。首先是最大限度地利用现有资源来规划一个连贯的计划。其次是利用我们在地球上开发的一些生产能力来制造和测试用于新的和尚未尝试过的新想法的设备。本书的第二部分和第三部分列出了许多这样的想法。由于一些空间技术只能在太空中完全测试，所以研发阶段的后期将涉及太空中的位置。

阶段 1：启动项目和网络

早期阶段 0 研发、阶段 1 和阶段 2 都在地球上的中等环境中进行，这些环境是最容易开始的地方。我们为一些环境参数（如温度、水供应和气压）定义了中等条件。每个参数都认为是适中的，其中目前 90% 的人口居住在中间，两端各有 5%。如果任何参数超出中等范围，则整个位置将不再是中等范围。中等范围旨在作为“典型”或“正常”条件进行设计，以便单个设计能够在环境的任何部分运行。中等条件由自然外部环境测量，而不是受控生产、居住或运输空间的内部。

阶段 1 通过构建第一个可运行的种子工厂设备，开始积累从启动设备进行引导的经验。早期设备包括购买或制造的传统工具和机器，以及在研发阶段设计的启动设备机器。启动地点位于已经开发和人口稠密的地区，这些地区可以供应启动和运行所需的一切。阶段 1 机器通常体积较小，例如用于业余爱好和家庭改进类型使用。这使得它们对个人或小型团体来说负担得起。机器可以放在家里或当地建造的作坊里。除了在这个阶段直接用于小规模生产外，这些经验对于后续阶段也将很有用。更偏远和更困难的位置更容易从小型启动设备进行引导，因为需要进口的设备更少。

阶段 1 还在其他领域积累经验。一个是创建个人和小团体的分布式网络，并在多个地方配备设备。作为生产有用产品和服务的协调努力，它仍然可以被视为一家工厂或企业，只是它不是一个传统意义上的位于单个物理位置的工厂或企业。另一个领域是培养使用设备的人员的知识和技能。大多数人在普通教育中没有接受过小规模生产的教育，因此除了种子设备和软件外，我们还需要对用户进行教育和培训。了解哪些技能和培训是必要的，这对于后续阶段将很有用。

我们预计第一阶段的运营商主要会利用他们的技能和机器来为自己、彼此以及他们所在的社区制造物品。大规模的商业生产和向公众销售将在下一阶段进行。由于初始套件旨在升级和扩展，因此向下一阶段的演变可以是自然而渐进的。在此阶段，可以使用从现有设备发送的部分设备集或从外部购买的设备集，启动新的网络节点和新位置。

阶段 2：分布式和工业发展

随着更多人、他们的技能和设备在一个特定地点积累，他们可以开始在他们自己的社区之外进行销售和交易。然后，他们可以从网络运营中获得大部分的经济支持，而在第一阶段，这更多的是业余爱好和兼职级别的努力。在人们能够养活自己的程度上，它减轻了自动化带来的工作不安全和流离失所的传统风险。在欠发达地区，这意味着生活水平的提高。除了为以后的项目目标而努力之外，这些本身就是有用的目标。

直接自举方法是使用现有机器制造更大的机器的零件。这将设备从家庭和业余爱好级别扩展到小型企业、商业和工业规模。更广泛地使用设备强调更高的工作循环（运行时间的百分比）和使用寿命（总运行时间）。在业余爱好级别上，轻型设备足够，而在工业级别上，重型设备是首选。使用规模和强度都需要对第一阶段的设计进行修改，并且需要持续的研发来开发。在较小的规模上，在一个地方收集全系列生产机器并制造各种产品是可行的。在较大的规模上，设备及其操作员变得更加分散和专业化，并为更大的市场服务。因此，位置设计和生产流程也进行了修改，以适应这些变化。

因此，我们将第二阶段划分为两个子阶段，分别基于规模和专业化。并非所有人都能升级到更大的规模和强度，因此第一阶段将继续运行，并且将混合使用小型、中型和大型设备。第二阶段的位置与第一阶段处于相同的适度环境中，附近有发达和人口稠密的地区。

第二阶段A：分布式位置 - 这涵盖了超越网络中业余爱好和家庭改进级别的努力的位置，达到能够提供个人大部分经济支持以及提供给网络外部人员更广泛的总产品和服务范围的小型企业和商业级别。

第二阶段B：工业位置 - 这些位置以最有效的规模和专业化水平为更大、更广泛的市场服务。此规模可能需要外部资金用于土地和设备，而早期阶段可以通过内部增长实现自筹资金。这是因为以小幅增量购买和开发工业规模的场地很难。由于供应来源和客户分布更广泛，运输能力变得更加重要。外部市场力量也比社区内部需求更重要。处理市场力量的一种方法是在多个行业之间进行分散的产权，以便根据需要重新分配人们的工作和设备。

阶段 3：地球其他发展

地球上困难和极端地区是指在任何环境和发展参数中都比中等条件超出 10% 和 20% 的地区。有关参数的详细信息，请参见第 5.2 节 环境范围。这些区域包括表面的偏远、无人居住和未开发区域，例如海洋、沙漠和冰盖。它们还包括远离地表的区域，例如现有城市深处的地下，或更高的高度。这些区域可能在地理上靠近适度的表面位置，但更难建造。

条件越困难和极端，设计就需要进行更多修改以适应它们。这是通过修改工作设备或人工调节局部运行环境到合适的范围来实现的。由于所需的设计修改范围，我们将此阶段划分为两个子阶段，分别基于所需的数量。由于条件可以在许多方面与中等条件不同，我们预计需要许多定制设计。这些位置通常是未开发和无人居住的。因此，起始套件和其他设备无法在本地获得，需要从以前的位置运送。它们通常不会是小规模的，因为当地运营商没有其他工作来养活自己，或者没有额外的空间来容纳它们。运输成本较高，以及支持现场人员和远程运营，也往往使得小规模设备不经济。

这个主要阶段使我们能够将文明扩展到地球表面尚未得到充分利用的 6/7，以及纵向向下深入地下和海洋，以及向上到更高的高度。预计世界人口将在 21 世纪继续增长。目前欠发达地区的人们也希望达到更高的经济发展水平。为了满足他们的所有需求，在一定程度上需要向新区域扩展。这与其说是对个人空间的需求，不如说是为了获得更多的能源和物质资源。这些地区的示例项目是在沙漠中建立温室和供水系统，以增加食物供应。自动化和远程控制允许这些位置运行，即使许多人不愿意住在那里。这两个子阶段是

第三阶段A：困难的地球位置 - 这些位置定义为至少有一个参数超出中等范围的 10% 或更多，根据参数的不同以线性或对数方式进行测量。这些参数是在当地开发和升级之前测量的。例如，在建造合适的隧道和竖井之前，深入地下很困难，但之后就不难了。困难的温度是指平均冬季低温低于 -18 摄氏度或平均夏季高温高于 42 摄氏度，例如北极或炎热沙漠地区。干旱的沙漠和潮湿的热带雨林的水供应水平很困难 - 太少或太多。海拔超过 2750 米开始对某些人造成问题，土壤强度低于 0.19 兆帕或地面/水压力高于 2.5 兆帕对于建造来说很困难。主要来自风能和太阳能的能量供应低于 125 瓦特/平方米会使所有需要电力的活动变得困难。位于地表深处的区域与这些能源隔绝。地球上的重力几乎是恒定的，大多数地方的背景辐射低于 17 毫西弗/年，在这些参数方面并不困难。通信往返时间（ping 时间）超过 100 毫秒，以及人们正常单程旅行时间超过 2.5 天被认为是困难的。平均居住时间低于 5 年和货物运输能耗高于 2.85 兆焦/公斤会加重人员流动和外部供应困难带来的额外负担。

第三阶段B：极端的地球位置 - 极端位置使用相同的参数，但至少超出中等范围的 20%，直至现有技术的极限。因此，平均日低温低于 -23 摄氏度或高温高于 47 摄氏度是极端的，只存在于恶劣的气候中，例如高海拔或地下深处。水供应低于 0.12 或高于 3.8 米/年，以及气压低于 70 千帕或高于 120 千帕（+5500 米和 -1600 米海拔）也是极端条件。土壤强度低于 0.12 兆帕，包括强度为零的水面，是极端条件，无法在其上建造。因此，所有海洋表面，只要深度超过从海底建造的深度，都被认为是极端的。地面和水压力高于 3 兆帕需要额外的结构支撑，并且存在于水下 300 米和岩石下 120 米的深度。地球上的重力永远不会是极端的，但一些高背景辐射区域和磁极上空的高海拔地区超过了 21 毫西弗/年的水平，被认为是极端的。如果缺少现代通信，ping 时间超过 125 毫秒，如果缺少传统运输，旅行时间超过 3 天。这些都属于极端范围，以及居住时间低于 3 年 4 个月，和货物运输能耗高于 3.5 兆焦/公斤。坚定的采矿应能够在大陆地壳中达到 9.5 公里的深度，在海洋地壳中达到 7 公里的深度，此外还有水深。包括海洋在内，总计 46 亿立方公里的资源应可获得。

阶段 4：轨道开发

我们已经在一定程度上探索和利用了地球以外的空间。这种利用受到将所有必需品提升到地球深重力井的难度和成本的限制。我们通过利用 4 阶段区域中已有的能量和材料来在当地制造东西，从而绕过这个问题。这使得这些区域能够得到更充分的开发，并促进文明的扩展。前几个阶段的生产能力被用于建造火箭和发射场，这些发射场可以将启动套装和其他设备送入轨道。这些设备在逐步扩展的位置启动了当地的生产、居住、运输和服务，从靠近地球开始，然后移至远离强重力井的“开放空间”。这些地点共享高水平或全天候的阳光作为能量来源，低重力便于移动大型物体，以及真空，可以使某些生产方法成为可能。这些共享条件导致共享设计，因此它们被归类为一个主要阶段。

随着距离地球和太阳越来越远，交通需求不断增加，并且需要进行热力、动力和其他设计方面的改变。这使我们能够通过区域来识别六个子阶段。这些子阶段按顺序相互衔接，一个阶段的产出用于帮助下一个阶段的交付和地点设立。轨道生产将首先支持现有的空间产业，截至 2016 年，该产业拥有近 1500 颗在轨卫星，经济活动规模达到 3400 亿美元。随着自举生产的成本降低，当前市场应会扩大，新的市场将具有经济效益。因此，与之前的阶段一样，这个阶段一旦启动就应该能够自给自足。

阶段 4A：近地轨道开发 - 我们将近地轨道定义为从地球表面以上 160 公里到平均 2700 公里。下限由显著的大气阻力设定，大气阻力会阻止稳定的轨道。上限是地球表面到逃逸速度所需能量的一半。它被描述为平均高度，因为椭圆轨道是可能的，椭圆轨道的高度不断变化，但总能量不变。大多数近地轨道在 22%-40% 的时间内处于地球阴影中，这会降低可用太阳能，通常需要为处于阴影中的时间存储能量。温度和光照受到附近地球的调节，通信和旅行时间相对较短。自然环境包括范艾伦辐射带 的内部，以及适度的流星体通量。材料资源包括地球大气的上边缘和人造空间碎片。其他材料必须从其他地方进口。

阶段 4B：高轨道开发 - 高地球轨道从平均高度 2700 公里延伸至地球引力支配范围的极限，约为 150 万公里。虽然距离跨度很大，但这仅代表地球表面到逃逸速度所需能量的 25%。它不包括距离月球 35000 公里以内以及月球本身，这些区域被分配到下面的 5A 阶段。高轨道 78% 到 100% 的时间都处于阳光照射下，温度主要受太阳控制。在最外层，通信和旅行时间可能长达 10 秒的 ping 时间和 7 个月的最有效路线的传输时间。与低轨道一样，自然环境包括来自范艾伦辐射带剩余部分的高辐射水平，以及在磁层之外，来自太阳和银河辐射源的高辐射水平。流星体通量同样适度，因为太阳系的大部分地区都是如此。就地材料资源包括少量人造碎片，但高轨道很容易到达月球和近地小行星。可以从这些地方运送材料，然后利用高太阳能通量进行当地生产。

阶段 4C：内行星际开发 - 该区域包括从尽可能靠近太阳的轨道到平均 1.8 个天文单位的轨道，小行星带从此开始。它不包括水星、金星、地球和火星这四颗主要行星以及它们周围的引力束缚区域。内行星际轨道 100% 的时间都处于阳光照射下，太阳能通量从 31% 到地球附近的许多倍不等。即使是最低的水平也与地球上最好的地方相匹配，因为没有夜晚或大气吸收来降低它。温度随太阳能通量的多少而变化，需要遮阳板或隔热材料来调节人类和设备的温度。整个区域的通信时间最长可达 1 小时往返，最短的能量转移轨道的旅行时间可能需要数年。截至 2017 年底，该区域有超过17000 个已知天体，每年增加约 1500 个。仅最大的成员估计质量就有 17 万亿吨。因此，材料和能源资源广泛可用，可用于生产和其他目的。

阶段 4D：主带和小行星群开发 - 该区域包括平均距离太阳 1.8 到 5.2 个天文单位的轨道，但距离木星 2000 万公里以内的部分除外。条件与前一阶段类似，只是太阳能通量从地球附近的 31% 降至 3.7%。在外围地区，可能需要太阳能反射器或其他电源（如核电源）来维持温度和供电。最坏情况下，通信时间可能长达 2.88 小时，最有效的路线的旅行时间可能需要 12 年。材料资源包括70 万个以上已知天体，它们位于主带、希尔达群和小行星群。它们的总质量约为 30 亿亿吨，所有这些资源都可以在充分的采矿作业下获得。这些材料可以缓慢但高效地通过电力推进和主要行星的引力辅助发送到内区域。该区域的较远部分由于低温而包含大量的冰和挥发性化合物。

阶段 4E：外行星际开发 - 该区域包括距离太阳 5.2 到 50 个天文单位的轨道，但土星、天王星和海王星周围的区域除外。该区域的太阳能通量非常低，从地球附近的 3.7% 降至 0.04%。将需要核电源或非常大且轻巧的太阳能反射器来供电和保暖。如果没有这些，物体自然会处于 -56 到 -200 摄氏度的温度，具体取决于颜色。往返通信时间最长可达 1.15 天，最有效的轨道旅行时间最长可达 350 年。这太长了，不具有经济意义，因此实际旅行时间将取决于更快运输方式的可用性。海王星轨道之外的柯伊伯带（30-50 个天文单位）有大约 1750 个已知天体，还有 340 个半人马座和短周期彗星，它们的轨道穿过一颗气态巨行星。这包括冥王星和其他一些矮行星，该区域的总质量为地球的 4%-10%。该区域可能还有许多目前太小而无法发现的天体。该区域由于低温而富含水和冷冻气体。

阶段 4F：散射盘、希尔云和奥尔特云开发 - 最后轨道区域是一个巨大的区域，从太阳平均距离 50 个天文单位延伸至 10 万个天文单位。该区域共享极低的温度，并且接近太阳逃逸能量。我们根据距离将其划分为三个部分：散射盘，从 50 个天文单位到 2000 个天文单位，希尔云，从 2000 个天文单位到 10000 个天文单位，奥尔特云，从 10000 个天文单位到 10 万个天文单位。外边界是太阳引力支配范围的尽头。我们目前对该区域天体的探测能力很差。这是由于距离太远，而且缺乏反射回地球的阳光。仅发现了大约 335 个处于固定轨道的物体，以及少量长周期彗星。我们预计还有数千个等待发现，包括一个可能与海王星大小相当的行星。该区域的总质量尚不清楚，但可能是地球的许多倍。在当前技术条件下，旅行、通信和设备供电将非常困难。因此，重大开发将等待这些领域的未来改进。

阶段 5：行星系开发

行星系统位置与轨道位置的不同之处在于它们与相对较大的重力井相连，需要额外的运输能力来穿越。它们还可能在靠近或位于表面时体验阴影或夜晚，以及来自捕获粒子带的更高辐射水平。大型天体的表面具有显著的重力水平，有时还有大气层。所有这些条件都不同于 4 阶段开放空间中的条件，导致不同的阶段，并为它们设计不同的方案。各个行星系统也彼此不同，需要设计方案来适应每个系统。因此，我们提供了五个子阶段来涵盖这些位置的范围。子阶段按难易程度排列，大致顺序为：轨道和行星开发子阶段的开始时间重叠。每个行星开发子阶段都在必须穿越才能到达它们的轨道区域之后开始。

阶段 5A：月球开发 - 月球区域包括月球本身，以及距离月球中心平均 35000 公里以内的轨道。月球在物理距离上相对靠近地球，但到达月球表面需要由于月球重力井而导致的额外能量。因此，它在难度方面排在 4B 阶段：高轨道之后。通信和旅行时间相对较短，比高轨道的一些部分更短。月球表面的每单位面积的可用阳光为赤道上高轨道的 50%，在较高纬度地区更低。对于最高的环月轨道，可用性可达 99%。平均温度与地球相似，但暴露区域在光线和黑暗之间可能相差数百度。在月球上进行有针对性的开采应该能够到达 50 公里的深度，然后岩石压力会使其变得不合理地困难。这使得 20 亿立方公里资源潜在地可用。由于其起源和历史，与附近的小行星相比，月球的挥发物 已经消耗殆尽。这些是沸点相对较低的元素和化合物，例如地球上发现的水和大气。相反，月球地质 表明金属氧化物的比例很高，这使其成为氧气和各种金属的良好来源。

阶段 5B：火星开发 - 火星区域包括火星本身，以及距离其中心平均 340000 公里以内的轨道。这包括天然卫星火卫一和火卫二。火星轨道是偏心率，因此太阳能通量从地球附近参考值的 36% 到 52.5% 不等。火星表面的重力从 3.68 到 3.74 m/s²（地球的 37.5%）不等，大气压力从 30 到 1155 帕斯卡（地球的 0.03%-1.14%）不等。火星位置将在 4C 阶段：内行星际之后，因为您必须穿越行星际空间才能到达火星。有针对性的开采应该能够到达大约 25 公里的深度，提供 36 亿立方公里的可获取资源，几乎是月球的两倍。火星保留了大量的水，并且具有相当多样化的地质。

第五阶段C：金星和水星开发 - 这些区域包括两颗行星，以及距离其中心不到 600,000 公里和 100,000 公里的轨道。由于缺乏已知附近的行星或卫星，到达其轨道和着陆所需的更高 ΔV 以及极端高温或高压条件，这些位置排在火星之后。它们的优势在于太阳能通量分别是地球的 1.9 倍和 4.6-10.6 倍，提供充足的能量来开采和加工资源。该区域缺乏已知小行星可能是由于轨道时间短，导致行星经常飞掠。因此，一个特定的小行星会因撞击行星、轨道向外偏移或移至靠近太阳而蒸发而被移除。来自更远轨道的引力变化会提供新的天体。缺乏可能是由于在朝着太阳方向观察时难以发现小型天体。如果行星本身和附近的小行星不足或成分不合适，则可以通过从供应充足的外围区域进口来弥补。

第五阶段D：木星系统开发 - 木星系统包括最大的行星、69 颗已知卫星，其中 4 颗非常大，以及距离行星中心 2000 万公里内的轨道。较大的卫星可用于引力辅助，使不同地点之间的旅行更容易，但木星的巨大质量使得到达木星本身非常困难。木星的开发将在逻辑上遵循第四阶段D：主带和特洛伊小行星。木星位于特洛伊小行星群之间，最外层的卫星实际上是松散捕获的小行星，这使其成为一个容易的下一步。向内推进需要更多的运输能量，而且会遇到致命的辐射水平，需要大量的屏蔽来保护人员和设备。大型卫星代表着数十亿立方公里的资源，最终将使它们成为有吸引力的来源。然而，太阳能通量为地球的 3.3%-4.1%，这给提供足够的能量来利用这些资源带来了挑战。

第五阶段E：外层气态巨行星开发 - 这一阶段包括土星、天王星和海王星，以及周围区域，分别在 2000 万、1200 万和 1200 万公里范围内。它包括 103 颗已知卫星，其中一些很大，以及三个环状系统，其中一个以其突出而闻名。太阳能通量分别为地球的 1%、1/4% 和 1/9%，这使得替代能源来源非常有吸引力。这些地点遵循第四阶段E：外层星际空间，因为您必须穿越该区域才能到达三颗行星及其周围区域。这一阶段的距离和所需技术都非常远，因此需要进行大量的研究和开发才能使用。

阶段 6：星际开发

最后一个主要阶段包括与太阳引力井无关的位置。这包括不与特定恒星相关的开放星际空间，以及围绕其他恒星系的区域。没有理由在太阳系的边界处停止文明的扩张，假设我们拥有必要的技术，并且在经济上是合理的。然而，目前我们并不知道即使是最靠近的恒星周围存在哪些行星系，并且在合理时间内到达它们的运输技术目前还处于推测阶段。我们将这一阶段列为一项长期计划目标，但需要了解的是，大多数细节将不得不等待。我们将这一阶段分为三个子阶段，以说明附近星际空间和系外星系中不同的环境和活动，以及银河系的更远区域。

第六阶段A：附近星际空间开发 - 该区域从距离太阳 100,000 个天文单位开始，太阳的引力不再占主导地位。为了设计目的，我们设定了距离太阳 20 光年的任意限制。如果我们可以达到该距离，并重新补充/重建我们的设备，那么随后的项目就可以以 20 光年的增量进一步旅行，但不需要新的设计。星际区域不包括 20 光年内的恒星及其各自的引力支配区域。它们被分配到第六阶段B，因为它们与太阳附近之前的阶段比恒星之间的空间更相似。因此，该区域的体积类似于瑞士奶酪的固体部分，其中散布着未包含的孔洞。截至 2017 年，该区域的内容知之甚少，但密度非常低。它包括星际介质，包括气体、尘埃、粒子以及辐射。它可能包括比尘埃大但比恒星小的天体，到目前为止，这些天体主要未被探测到。

第六阶段B：附近系外星系开发 - 目前已知大约 105 个 恒星和褐矮星 恒星系在 20 光年内。我们对恒星的了解远比围绕它们运行的物质或它们之间的空间多，因为恒星很亮，我们可以更容易地从它们的光中收集信息。每颗恒星都对整个银河系和其他附近天体具有引力支配区域。据估计，这个区域是太阳质量单位的系统质量平方根的 100,000 个天文单位。恒星彼此之间都在运动，因此 20 光年内的恒星数量平均每 1150 年变化一次。该区域已知大约有二十颗行星，其中两颗具有星周盘，但由于探测行星的难度，这些数据不完整。这些地点的设计必须等待更好的信息，以及大量的新技术开发。

第六阶段C：更远的星际空间开发 - 我们最后一个子阶段是一个占位符，用于涵盖可访问宇宙的其余部分。它从距离太阳 20 光年开始，并延伸到运输方法所能达到的最远距离。由于目前和近期的运输方法远不能达到这样的距离，因此在未来某个时间点之前，除了运输改进之外，对该子阶段的工作将保留下来。

程序结构

为了使一个庞大而复杂的程序易于理解，我们将它分为多个细节级别，每个级别将给定部分划分为合理数量的较小部分。在最详细的级别，单个程序元素足够小且简单，可以进行设计和实现，无需进一步划分。对于这个复杂程序的例子，我们不会将其细化到那个细节级别。首先需要完成概念设计和初步设计，而这些工作尚未完成，并且这本维基百科没有足够的空间包含所有信息。相反，我们将介绍前几个级别以及定义其元素的过程，并理解未来的工作可以在较低级别使用类似的过程。

第一级：程序

最上层是我们的整个程序。在这里定义了总体目标和目标，并与文明的其他部分进行了最高级别的交互。还将做出决策，以实施部分或全部程序，而不是保留已有的进度和计划。更改比保留现有内容需要更多工作。因此，新程序必须足够好才能激励人们做出改变。这需要开发所需的想法和技术，并教育人们了解它们为何更好。我们将现有的内容称为 现有基线。例如，在空间发射中，这将包括已投入运营的火箭，以及已获得资金并正在开发的新火箭。对于工厂生产来说，这将包括目前运营的工厂以及建设新工厂的最新技术。我们的程序尚未开发到足以推荐实施的程度，但我们认为它具有巨大的潜力。这是迄今为止推动我们工作的动力，我们希望继续进行下去，直到我们能够对它进行推荐或反对。

第二级：阶段

程序的第二级包括上述以及第四部分后面部分中描述的主要程序阶段和子阶段。这些阶段继承了最高级别目标和目标的一部分，使得所有阶段加在一起都能满足所有目标。较早阶段及其部分可能只满足部分目标，或者在较低的性能级别，目的是在以后升级和扩展覆盖范围。早期设计过程的一部分是指定每个阶段将完成什么目标和性能级别，以及实现这些目标的时间。由于这些阶段在其他地方有更详细的介绍，因此我们不会在此重复这些信息。

第三级：项目

每个阶段可以包含一个或多个项目。这些项目旨在完成一项任务或实现一个目标。例如，种子工厂项目已经启动，旨在设计和测试原型系统，以验证自扩展生产的想法。该项目是零阶段：研发的一部分。假设的“漂浮城市项目”将是第三阶段的一部分，因为海洋环境恶劣或极端。

第四级：位置

该项目旨在升级和扩展文明，其理由如上述项目目标部分所述。总体方法是在特定位置建立，添加功能性元素，以实现内部增长和有用输出。每个位置都能够自给自足，并与之前的位置以及文明的其他部分进行互动。当当前位置的容量累积到一定程度时，它们可以向新的位置提供启动元素。启动套装随后重复增长和有用输出的循环。无法本地制造的零件和材料将从之前的位置运送。位置的定义基于人流和散装货物内部本地运输的便利性。例如，一个围绕城市的都市区，各部分之间的旅行时间不超过两个小时，并且拥有良好的道路网络。位置之间的运输将发生，但时间和成本的增加会使其频率降低，最好用于高价值、低质量的物品。因此，您可以将一台电脑运送到远方，但您不希望运送一卡车的碎石到那么远的地方。

在未开发、困难或极端环境以及太空中的位置，可能最初比城市要小得多。这是因为缺乏道路和机场等运输系统，以及与下一个位置的距离较远。在发达地区，项目位置的总体规模通常与都市区相当，但不包括该区域的所有内容。它只涉及位于那里的项目特定人员和设备。他们与周围的非项目区域和其他项目位置进行互动。

第 5 级：功能

单个位置的下一级是其执行的功能。整个文明共享着共同的功能，例如防风雨、供应食物和饮料、制造零件以及将它们组装成有用物品。例如，餐具和 CNC 激光切割机从一个位置到另一个位置可能大同小异。因此，我们不必为每个位置设计独特的元素。相反，我们可以识别需要在该位置执行的功能，然后根据需要复制现有设计或修改它们以满足需求。每个功能，例如从库存材料中切割零件，都有输入，如电力和制作零件的指令，以及输出，如成品零件和未使用的废料。这些输入和输出将功能彼此连接，并连接到程序边界之外。功能及其连接可以用不同的方式显示，例如图 4.1-3 中的示例图。

由于文明共享着共同的功能，而这些功能在它们之间共享着共同的连接，因此我们可以定义一个适用于当前文明现有元素和我们项目新元素的**参考架构**。这使得更容易比较已有的东西和新东西，并且避免了每次都必须定义新位置组织的麻烦。特定位置可能只包含一部分共同功能，尤其是在新位置时。位置可以随着时间的推移而发展，添加新的功能。整个项目也会随着时间的推移而发展，添加新的功能并升级现有的功能。

更深层次

功能可以细分为更详细的功能，然后设计系统和特定元素来执行这些功能。这项工作属于各个工程领域。对于空间系统，本书的前面部分描述了一些方法和概念。对于其他类型的系统，我们将读者引导到大量的技术文献。出于篇幅和时间的考虑，我们目前的工作不会涵盖如此详细的层面，但我们会注意到，最终需要它来实施实际项目。