第 5.1 节：人类扩展的概念设计
一个设计良好的项目生命周期中的第一个阶段是概念设计。该阶段的目标是确定要满足的需求、要使用的选择标准、主要系统元素的初始概念，以及如何构建、操作、维护和处置它们。构建新系统的替代方案是无所作为，或继续现有项目和计划。因此，我们将系统概念与这些替代方案进行对比，并决定是继续前进还是停止。我们使用之前选择的选择标准来完成此操作。
以我们示例项目为例，我们首先从一般目标出发，说明其动机，并给出可能导致其与当前太空计划发生改变的原因。并非所有目标对每个人或每个组织都具有同等重要性。只要有足够多的目标适用于他们，他们就会有理由支持该项目。在目标之后，我们以一般性术语描述我们的设计方法。第 4 部分的其余部分将更详细地介绍设计过程和结果。
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概念设计
概念设计是项目或系统生命周期中的第一个阶段。我们确定要满足的需求和目标、在设计之间进行选择时要使用的标准，以及对项目主要部分的设计概念，包括如何构建、操作、维护以及在生命周期结束时处置它们。我们使用相同的选择标准将新项目与现有项目进行比较。如果新项目按照这些衡量标准“更好”，我们建议进入下一个设计阶段。如果它没有更好，那么我们就停止，等待情况或技术发生变化，或者尝试设计其他概念。我们的推理、计算和决定的全部细节过于冗长，无法在此讨论中包含。我们将在此处对其进行概括，并请读者参考完整的 人类扩展设计研究 以获取详细信息。
概念设计的一般流程从一般性描述和目标开始，这些将在下一节中说明。在此之后，我们将执行分析步骤，将这些目标发展成更详细和量化的陈述。目前，这已针对项目需求和评估标准完成。定义更详细项目元素的功能分析已开始，概念设计过程的后续部分尚未完善。满足项目元素的候选设计在第 4 部分的其余部分中进行了整理。应将其视为可能适合整体项目的片段，但尚未链接或单独完成。
我们首先确定我们项目的客户是谁，以及他们的需求是什么。任何涉及许多人的项目都需要充分的动机，说明为什么要这样做，而不是无所作为或继续当前正在进行的项目。如果您完全独自构建系统，那么“我想这样做”就足够了，但是对于大型系统而言，您通常需要说服最终客户和开发人员它的价值。动机可以用一般目标、财务利益、简单效率，甚至“我有一把枪，要么这样做，要么死”来表达，对于极权主义社会而言，但这些动机必须以某种形式存在。当最终客户没有意识到项目的价值时，他们需要被告知，最好不是在枪口下。因此，除了技术结果外，还需要考虑如何格式化和交付结果。
客户与设计师 - 客户可以是内部的，也可以是外部的。前者是指同一组织既是用户又是系统的设计师。后者是大型系统中更常见的情况，其中设计专家为除他们自己以外的其他实体开发系统。对于我们未来的项目，我们必须问谁在设定项目目标，因此是客户，谁在做设计工作？目前，两者实际上都是本页面的编辑，但我们将假设一个非营利基金会将继续使用开源方法进行初始设计工作。作为一个基金会，他们将为整个文明设定目标，并将他们工作的结果公开发布。假设获得了足够好的结果，那么为后续研究、商业实体的启动或政府资金的促进筹集资金将用于后续阶段。因此，最终客户是整个文明，而设计师是开源非营利基金会的一部分。目前，这是本开源书籍的维基媒体基金会编辑，但这可能会在以后过渡到一个专门的组织。
客户接受 - 有些人或群体会受到新项目的负面影响，尤其是那些与旧的现有项目相关的人。其他人根本不喜欢改变，或者对新方法或未经验证方法的风险感到厌恶。还有一些人对特定设计有偏好或反感，而这与它们的的技术优点无关。最后，有些方法仅仅是新的和陌生的，因此没有被考虑。系统设计师必须理解这些人的因素并做出响应，而不是假设最佳的技术答案仅仅因为它是最佳的技术答案而会被接受。
项目约束 - 除了技术设计外，还有其他外部因素，例如可用资金或技术转让的限制，会影响项目的进程。除了技术和人力因素外，还需要考虑这些外部因素。
人类文明希望，作为个人愿望的总和，能够长期生存，个人风险降低，物质和社会繁荣。因此，我们陈述以下个人项目目标以满足这些愿望。我们将它们分为那些使整个文明受益的目标，以及那些适用于个人或规模较小的群体目标。在概念设计阶段结束时，这些目标将被细化为最终目标和具体的数值目标。
我们的地球文明应该有动机去探索、开发和扩展到太空，原因有很多。这些原因可以用个人目标来表达。未来的项目或计划理想情况下可以同时满足多个目标。
- 改善地球上的生活 - 尝试新的和有挑战性的事情往往会发现新的知识和开发新技术。这些发展可以首先应用于地球，以改善我们在这里的生活，特别是在能源、资源、自动化生产和封闭生态方面。利用在地球上获得的经验，我们可以在太空中使用这些发展。
- 更好地了解地球 - 我们通过观察地球在太空中的当前环境来更多地了解地球是如何工作的，因为地球不是宇宙中孤立存在的。我们也从观察其他行星和环境以及它们的演变方式中吸取教训。除了目前在地球轨道上的十亿分之一的人类外，我们所有人都生活在地球上，更好地了解它是一个好主意。
- 减少来自太空的危害 - 太空中存在太阳耀斑和陨石等危害，这些危害会影响我们在地面上的生活。为了做好准备或防止这些危害，我们首先必须了解它们的规模和特征，然后才能开发方法来防止或处理这些危害。
- 提高生物圈的安全性 - 目前只有一个生物圈，我们都依赖于它，它容易受到自然和人为变化的影响（冰河时代、二氧化碳变化、火山喷发）。即使是国际空间站也依赖于来自地球的食物和其他用品。从太空观察有助于我们更好地了解地球的变化。从长远来看，我们还应该建立备份生物圈，以防我们唯一的生物圈发生灾难。
- 扩大物质和能源资源 - 文明需要物质和能源才能运作，地球之外存在着大量的物质和能源资源。我们可以将重工业和人口迁出地球，以减少对地球的影响。
- 长期生存 - 从长远来看，地球注定要毁灭，因为太阳在其生命周期中会不断变热，最终会变成一颗红巨星，吞噬它。在此之前很久，由于太阳随着时间的推移会增加亮度，最终使地球过热，它将成为生命难以生存的地方。我们的选择是进行行星规模的工程来应对最终的热量，或者搬到其他地方。无论哪种方式，都需要以某种方式使用太空。
除了适用于整个文明的目标外，还有一些动机适用于特定个人或群体。这些更局部的目标可以与上面列出的更普遍的目标重叠。
- 增加选择和自由 - 被占领且人口相对稠密的地球在许多方面限制了选择自由。你不能仅仅出发并开始建立自己的社区，制定自己的生活规则，因为地球上的所有土地面积已经被某个政府宣称所有权，并且在他们的规则下运行。危险或肮脏的实验，无论其科学价值如何，都必须受到限制，有些实验，比如地球改造，根本无法在地球上进行。至少在开始时，太空是无人居住的，在很长一段时间内都不会拥挤，所以地球上的限制将会解除。太空会因环境和资源而施加它自己的限制，但至少这些限制将是不同的。这扩大了可用选择的总范围。
- 增加机会 - 与地球不同，地球上几乎所有东西都被别人占有，太空中有许多未被占有的资源。缺乏来自先前所有者的收购成本意味着获得财富的机会更广阔，但当然并不能保证。每个人的可用太空资源的比例将从一开始就很高，部分原因是最初的人不会很多，但也因为太空中的物质和能量的绝对数量远远超过地球。这种相对高比例的资源可用性为那些希望行使这些机会的人创造了新的机会。
理论上，上述目标可以通过现有的太空计划实现。因此，除了说明我们的目标及其背后的原因外，我们还必须证明为什么新系统比仅仅继续目前正在进行的工作更好。这是概念设计阶段结束时的预期结果。我们现在所处的位置是该阶段的开始，我们只能列出迄今为止确定的潜在效益。以后可能会发现其他效益，而下面列出的一些效益可能在概念进一步发展后不再有利。
如果我们坚持现有的计划，我们将获得现有的计划成本。计划成本包括正在开发的系统的未来预计成本降低。新系统有可能实现更低的成本。以下论点表明潜在的收益非常大。因此，应检查新系统，以确定它们是否能够真正达到该潜力的某个部分。这只有通过考虑所有成本要素的足够详细的设计才能实现。
- 现有计划的成本远高于可能实现的成本
尽管政府和私营企业在太空项目上投入了数百亿美元，但我们只设法将大约 1000 颗有用的卫星送入轨道，并在太空中让六个人工作。这是因为过去的计划的发射成本以其重量计，相当于贵金属的价格。例如，Atlas V 被列为以 1.1 亿美元将 20 吨送入地球轨道。5,500 美元/公斤的成本相当于每盎司 171 美元，而 2012 年中旬黄金的价格为 1600 美元。新的猎鹰 9 号商业火箭将这一比例降低到 13.15 吨，价格为 5400 万美元，或每盎司 128 美元（4,100 美元/公斤），即将推出的猎鹰重型运载火箭的制造商报价为 53 吨，价格为 8300 万美元，或每盎司 49 美元（1,566 美元/公斤）。这与 2012 年上半年白银的平均价格 30 美元/盎司相当。
到达地球轨道的原始能量成本约为 33 MJ 或 9.25 kWh/kg，按典型的零售电价计算，大约为 1 美元/公斤。这略高于 2012 年碳钢的价格，或者大致相当于每公斤土豆的零售价。理论上，高效的轨道运输应该运行数倍于原始能量成本，大约相当于奶酪或优先邮件包裹的成本。即将到来的发射成本与理论成本的比率仍然大约为 400:1，这表明还有很大的改进空间。只要发射成本以其重量计，相当于贵金属的价格，而不是奶酪，应该很明显，太空不会做太多事情。全球人口的十亿分之一进入轨道被认为是“不太多”。
- 高成本是由发射技术造成的
传统的火箭携带所有自己的燃料，无法真正便宜且高效，因为到达地球轨道的能量大约是化学火箭燃料能量的两倍。因此，你必须燃烧大量的燃料才能将少量燃料送入轨道的一半，然后燃烧这些燃料才能将更少量的货物送入轨道。因此，在减去燃料、燃料箱和火箭发动机后，大约 3% 的发射台上的货物是交付的货物。更糟糕的是，硬件是昂贵的航空航天级硬件，通常只使用一次就被抛弃。相比之下，飞机使用相同类型的航空航天级硬件，因此建造成本大约相同/公斤。但由于效率更高（它们从空气中获取氧气，而不是从油箱中获取），因此它们携带更高的货物比例，并且飞机被使用了数千次，因此每次旅行的成本大幅降低。
- 发射成本和缺乏资源利用导致总成本高昂
太空中所有其他东西的高成本部分原因是到达轨道的成本高昂，部分原因是你目前需要的所有东西都来自地面。由于运输成本如此之高，设计师花费了大量精力通过花费更多时间细化细节，并使用更奇特但更牢固的材料来减轻货物重量。这些额外的努力也使货物更贵。由于最优的做法是花费资金使其变轻，直到每节省 1 公斤的成本与发射成本相同，因此货物的成本往往与发射成本成正比。如果你降低发射成本，那么它也会使你所携带的任何东西更便宜（更重）。
另一个重要的成本因素是将所有东西从地球上带走，因此为所有东西支付运输费用。如果你能从太空获取一些所需物资并回收更多物资，用于完成项目或任务的运输量将大大减少。太空中有充足的能量和物质资源，如果我们学会使用它们，其中许多资源的运输能量将大大低于从地球上运输。发射成本、货物成本和从地球上带走所有东西的组合导致了非常高的项目总成本。
- 有可能实现 20,000 倍的改进
即使是最理想的有效发射系统，仍然会产生开发和运营成本，因此不会达到原始能量成本。我们假设该成本的 4 倍，即 4 美元/公斤，是一个实际的下限。这比猎鹰重型运载火箭的报价低 400 倍。过去的研究估计，98% 的太空系统可以由当地资源制造，剩下的 2% 将是稀有或难以制造的，因此从地球运输更经济。这使需要交付的货物数量减少了 50 倍。结合成本和交通改进，总共潜在改进 20,000 倍。这种水平的改进不会很快实现，甚至可能永远不会实现，但潜力如此之大，绝对值得投入一些工程努力。可以根据目前全球每年在太空相关项目上花费的 2900 亿美元来判断值得花费多少资金来获得改进。
- 技术衍生
为一个目的或项目开发的技术通常会在其他领域找到用途，这个过程被称为衍生或技术转让。一个例子是用于医疗测试的生物芯片，它使用了为电子微电路开发的技术。虽然还有许多其他此类例子，但它们在个别案例中是不可预测的。太空项目在产生衍生技术方面并不独特，但它们通常具有大量的研究和开发工作，因此有比平均水平更高的机会。人们一直在尝试量化衍生效益，特别是来自美国国家航空航天局 (NASA) 计划的衍生效益。虽然我们无法对衍生技术进行准确估值，但我们可以将其作为追求新系统而不是现有系统的部分原因进行一定程度的考虑。
当太空系统在开发时有意考虑到地球应用时，它就不再是衍生，而是设计意图的问题。这被称为双重用途或多用途技术。例如，太阳能电池最初在大规模应用于为卫星供电，但现在在地球上的主要应用。
- 扩展市场
大幅降低太空项目的成本可以扩大现有市场，比如通信卫星，或者开拓新的市场，比如小行星开采稀有金属。这些金属的供应增加和成本降低可以促进目前在经济上不可行的金属的新用途。因此，除了直接效益降低成本外，还应该对扩展或新市场在新的系统总价值中的次要影响进行一些估计。
- 对未来的乐观
对损失的恐惧是一种比获取机会强烈两倍的情感。如果地球被视为一个有限的、封闭的、零和的世界，那么对未来的恐惧就会占据主导地位。在这种情况下，人们可能会减少冒险，试图守住现有的东西。这种认知并非现实——从工程的角度来看，地球在能量和质量流方面是开放的。然而，即使认知不正确，它也会影响行动。一个通往开发太阳系资源的可理解路径可以将悲观的 worldview 转变为充满希望的世界观。改变对未来的负面认知还有其他方法，例如开发经济实惠的清洁能源。然而，太空的开放直接驳斥了地球封闭的想法。一个更加乐观的世界可能不再那么害怕新技术，也更愿意投资于长期项目。